Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng bức xạ gamma Co-60 và một số ứng dụng của chúng trong y học và nông nghiệp

Về bạc, nhóm tác giả Nguyễn Đức Nghĩa, Hoàng Mai Hà [60] công bố trên Tạp chí hóa học 2001 đã chế tạo được bạc nano bằng phương pháp khử ion bạc sử dụng tác nhân oleate trong polyme ổn đ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADN Phân tử mang thơng tin di truyền ADN Acid Deoxyribonucleic

ASTM Kính hiển vi lực nguyên tử Atomic scanning Tunneling

Micrscope

CTS tan

trong nước Chitosan tan trong nước Water soluble chitosan

Da Đơn vị khối lượng Danton

Dbh Liều xạ bão hồ (kGy) Determination dose (kGy)

dtb Kích thước hạt trung bình Average particle diameter

LSD Sự khác biệt nhỏ nhất có ý nghĩa thống

MEA Môi trường malt agar nuôi cấy vi sinh Malt extract agar

Mw Khối lượng phân tử trung bình trọng Molecular mass

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua Tranmision Electron

Microscopy

UV – vis Quang phổ hấp thụ trắc quang UV-vis Ultraviolet-visible

spectroscopy

γ.Co - 60 Bức xạ gamma Cobalt – 60 Gamma ray irradiation Co-60

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVA

Hình 1.2 Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVP

Hình 1.3 Cơ chế ổn định hạt bạc nano của CTS

Hình 1.4 Phổ hấp thụ UV-vis của keo bạc nano/PVA

Hình 1.5 Phổ hấp thụ UV-vis của keo bạc nano, liều xạ 47,6kGy

Hình 1.6 Ảnh TEM của hạt bạc nano

Hình 1.7 Phổ nhiễu xạ XRD của bạc nano

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu keo bạc nano

Hình 3.1 Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch ion bạc và polyme trước chiếu xạ Hình 3.2 Phổ UV-vis của keo bạc nano và sự phụ thuộc mật độ quang (E) theo

liều xạ của keo bạc nano/PVA

Hình 3.3 Sự phụ thuộc kích thước hạt bạc trung bình (dtb)theo nồng độ PVA

(nồng độ Ag+ 20mM)

Hình 3.4 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano theo nồng độ

PVA khác nhau (Ag+ 20mM)

Hình 3.5 Phổ UV-vis tại Dbh của keo bạc nano với nồng độ ion bạc khác nhau

Hình 3.6 Sự thay đổi E theo liều xạ của keo bạc nano với nồng độ bạc khác nhau Hình 3.7: Sự phụ thuộc Dbh vào nồng độ ion bạc ban đầu

Hình 3.8 Sự phụ thuộc giữa dtb của hạt bạc nano theo nồng độ ion bạc ban đầu

Hình 3.9 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/PVA theo nồng

độ Ag+ khác nhau ( PVA 2%)

Hình 3.10 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano 10mM/PVA và

etanol có nồng độ khác nhau

Hình 3.11 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/PVA theo thời

gian lưu giữ (Ag+ 20mM/PVA 2%)

Hình 3.12 Phổ XRD của bạc nano/PVA và PVA

Hình 3.13 Phổ UV-vis tại Dbh của keo bạc nano/PVP với nồng độ bạc khác nhau

Hình 3.14 Sự thay đổi E theo liều xạ của keo bạc nano/PVP với nồng độ bạc khác

Hình 3.18 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/PVP (PVP-K30

2%/etanol 10%) với nồng độ bạc khác nhau)

Hình 3.19 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/PVP theo nồng

độ etanol khác nhau (PVP-K90 2%/Ag- 10mM)

Hình 3.20 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/PVP (mẫu

PVP-K90 2%/Ag+ - 10mM/izopropanol hoặc etanol 1M)

Hình 3.21 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/PVP theo thời

gian lưu giữ (Ag20mM/PVP-K90 2%/etanol 10%)

Hình 3.22 Phổ XRD của bạc nano/PVP và PVP

Hình 4.1 Phổ UV-vis của các dung dịch pha loãng bằng nước 1/50 (v/v)

Hình 4.2 Phổ UV-vis của mẫu CTS70 2%, Ag 5mM theo các liều xạ khác nhau

Hình 4.3 Cường độ hấp thụ E của keo bạc nano/CTS theo liều xạ (CTS70

2%/Ag 5mM pha loãng bằng nước 1/50)

Hình 4.4 Phổ UV-vis của keo bạc nano/CTS theo nồng độ bạc khác nhau

(CTS70 1% -Mw 120kDa/etanol 5%)

Hình 4.5 Phụ thuộc của Dbh của keo bạc nano/CTS vào nồng độ ion bạc ban đầu

Hình 4.6 Phụ thuộc của dtb của keo bạc nano/CTS vào nồng độ ion bạc ban đầu Hình 4.7 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/CTS ở nồng độ

Hình 4.16 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano (Ag 5mM/CTS

70 1%) theo KLPT khác nhau của CTS

Hình 4.17 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano trong chất ổn

định CTS có ĐĐA 70 và 90 (Ag+ 5mM/CTS 1%)

Hình 4.18 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/CTS ở suất liều

bức xạ khác nhau (Ag 5mM/CTS70 1%-Mw 120kDa )

Hình 4.19 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/CTS sau 3

Hình 4.25 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của keo bạc nano/CTS tan trong

nước sau 3 tháng lưu trữ (Ag 10mM/CTS tan trong nước 1%)

Hình 4.25 Phổ XRD của CTS tan trong nước, bạc nano/CTS tan trong nước và

Hình 5.4 Tương quan giữa nồng độ bạc nano với mức độ ức chế sự phát triển

khuẩn lạc nấm C salmonicolor sau 8 ngày nuôi cấy

Hình 5.5 Sự phát triển kích thước khuẩn lạc nấm C salmonicolor sau thời gian

nuôi cấy

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của C2H5OH đến E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano/PVA

Bảng 3.2 Giá trị E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano/PVA ở hai suất liều bức xạ

Bảng 3.5 Các thông số đặc trưng của keo bạc nano/PVP 2% trên hai loại PVP có

khối lượng phân tử khác nhau

Bảng 3.6 Sự thay đổi Giá trị E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano/PVP theo nồng

độ etanol

Bảng 3.7 Các thông số đặc trưng của keo bạc nano/PVP (Ag 10mM/PVP-K90)

khi sử dụng etanol hoặc izopropanol 1M làm chất bắt gốc tự do

Bảng 3.8 Giá trị E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano/PVP ở hai suất liều bức xạ

khác nhau (Ag 5mM/PVP-K90 2%/etanol 10%)

Bảng 3.9 Sự thay đổi các giá trị E, λmax và dtb của keo bạc nano/PVP theo thời

gian lưu giữ (mẫu Ag+ 20mM/PVP-K90 2%/Etanol 10%)

Bảng 3.10 Thế zeta của keo bạc nano 10mM/PVP-K90 2%/Etanol 10% theo pH

khác nhau (pha loãng 500lần)

Bảng 3.11 dtb và Dbh của keo bạc nano/ PVA, PVP với nồng độ bạc khác nhau

Bảng 3.12 Độ ổn định của keo bạc nano/PVA,PVP theo thời gian lưu trữ

Bảng 3.13 Kết quả xác định hiệu suất chuyển hóa Ag+ thành Ag0 và hàm lượng

NO3-, CH3CHO của keo bạc nano /PVA, PVP

Bảng 4.1 Sự phụ thuộc của E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano/CTS (CTS70

1%-Mw 120kDa) vào nồng độ Ag+

Bảng 4.2 Sự phụ thuộc của E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano (Ag

5mM/CTS70 1%, pH dung dịch 5,5) vào etanol

Bảng 4.3 Các giá trị E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano 5mM, CTS70 có Mw

120kDa ở hai giá trị pH khác nhau

Bảng 4.4 Sự phụ thuộc các giá trị E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano/CTS (Ag

Bảng 4.8 Sự thay đổi các giá trị dtb, E và λmax của keo bạc nano/CTS theo thời

gian lưu trữ (Ag 5mM/CTS70( Mw 120kDa) 2%)

Bảng 4.9 Thế zeta của keo bạc nano/CTS ở các giá trị pH khác nhau (pha loãng

2000lần bằng nước) (CTS70 2%/Ag 5mM)

Bảng 4.10 Sự phụ thuộc các giá trị E, λmax, Dbh và dtb của keo bạc nano/CTS tan

trong nước vào nồng độ CTS tan trong nước (Ag 10mM, CTS tan trong nước có ĐĐA 50%, Mw 25kDa)

Bảng 1.11 Các thông số đặc trưng của keo bạc nano/CTS tan trong nước 2 % phụ

thuộc nồng độ ion bạc ban đầu

Bảng 4.12 Sự thay đổi các thông số đặc trưng của keo bạc nano được pha loãng

bằng nước tỉ lệ 1/100 (v/v) theo thời gian lưu trữ (Ag 10mM/CTS tan trong nước 1%)

Bảng 4.13 Xác định hiệu suất chuyển hóa và hàm lượng các chất độc hại của quá

trình chế tạo keo bạc nano Ag/CTS, CTS tan trong nước

Bảng 5.1 Hiệu quả diệt khuẩn (%) E.coli và S.aureus của bạc nano/PVA

Bảng 5.2 Hiệu quả diệt vi khuẩn S aureus của CTS70 2% và keo bạc nano Ag+

5mM/PVA,CTS,PVP+CTS tại cùng nồng độ pha loãng 1/50 (5ppm bạc nano dtb=7-9nm)

Bảng 5.3 Hiệu quả diệt vi khuẩn S aureus của keo bạc nano ở các nồng độ khác

nhau (CTS70 2%/Ag 5mM)

Bảng 5.4 Đường kính khuẩn lạc (d, cm) nấm C salmonicolor theo thời gian, trên

môi truờng nuôi cấy có bạc nano với nồng độ khác nhau (CTS70 2%/Ag 5mM)

Bảng 5.5 Kích thước khuẩn lạc d của C salmonicolor sau 8 ngày nuôi cấy, trên

môi trường có 27,16ppm bạc nano và dung dịch CTS70 2% cùng nồng

độ pha loãng

Bảng 5.6 Ảnh hưởng của nồng độ bạc nano đến tỉ lệ và chỉ số bệnh đối với bệnh

đạo ôn lá trên lúa (A: tỉ lệ cổ bông bị hại, %; B: chỉ số bệnh, %)

Bảng 5.7 Ảnh hưởng của nồng độ bạc nano đến tỉ lệ và chỉ số bệnh đối với bệnh

đạo ôn cổ bông trên lúa

Bảng 5.8 Ảnh hưởng của nồng độ bạc nano đến tỉ lệ và chỉ số bệnh đối với bệnh

lem lép hạt trên lúa

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa………

Lời cam đoan……….I Lời cảm ơn………II Mục lục………III Các chữ viết tắt……… …IX Danh mục bảng……… XI Danh mục hình……….XIV MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Bạc và vai trò của bạc 4

1.2 Các kết quả nghiên cứu vật liệu bạc nano trong và ngoài nước 5

1.2.1 Các phương pháp chế tạo keo bạc nano 7

1.2.1.1 Phương pháp bay hơi vật lý 7

1.2.1.2 Phương pháp ăn mòn Laze 8

1.2.1.3 Phương pháp phân huỷ nhiệt 8

1.2.1.4 Phương pháp điện hóa 8

1.2.1.5 Phương pháp quang hóa 9

1.2.1.6 Phương pháp siêu âm 9

1.2.1.7 Phương pháp bức xạ vi sóng điện từ 9

1.2.1.8 Phương pháp polyol 9

1.2.1.9 Phương pháp phản ứng thế 10

1.2.1.10 Phương pháp khử hóa học 10

1.2.1.11 Phương pháp khử hóa bức xạ 11

1.2.2 Thuyết gốc tự do về phân ly bức xạ nước 11

1.2.2.1 Cơ chế về phân ly bức xạ nước 11

1.2.2.2 Các sản phẩm phân ly bức xạ nước và tính chất của chúng 12

1.2.3 Quá trình khử hóa bức xạ chế tạo bạc nano 14

1.2.3.1 Cơ chế của quá trình khử hóa bức xạ 14

1.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến động học phản ứng và kích thước hạt bạc 15 1.2.4 Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVA, PVP và Chitosan 16

1.2.4.1 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVA 16

1.2.4.2 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVP 17

1.2.4.3 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của CTS 18

1.2.5 Các tính chất của keo bạc nano 20

1.2.5.1 Tính kháng khuẩn, kháng nấm của keo bạc nano 20

1.2.5.2 Các tính chất hóa lý của keo bạc nano 22

1.2.6 Tính chất quang học của keo bạc nano tổng hợp bằng phương pháp bức xạ γ -Co-60 24

1.3 Độ bền của hệ keo nano 27

1.3.1 Độ bền của hệ keo 27

1.3.2 Tác dụng keo tụ của chất điện ly 29

1.3.3 Lý thuyết bền của keo kỵ nước DLVO 29

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 32

2.1 Nguyên vật liệu, hóa chất 32

2.2 Thiết bị dụng cụ 33

2.3 Phương pháp thực nghiệm 34

2.3.1 Xác định ĐĐA% và Mw của Chitosan 34

2.3.2 Chế tạo mẫu keo bạc nano 34

2.3.3 Đo phổ Uv-vis 35

2.3.4 Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 36

2.3.5 Đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 37

2.3.6 Đo thế Zeta của keo bạc nano 38

2.3.7 Xác định hàm lượng bạc tổng số 39

2.3.8 Phân tích lượng Ag+ vết bằng phương pháp kích hoạt nơtron 39

2.3.9 Xác định hàm lượng nitrat theo TCVN 4562-88 41

2.3.10 Xác định hàm lượng axetandehyt (CH3CHO) 41

2.3.9 Khảo sát hiệu quả diệt vi khuẩn Staphylococcus aureus và hiệu lực kháng nấm Corticium salmonicolor của keo bạc nano 42

2.3.10 Khảo sát hiệu lực diệt nấm bệnh trên cây trồng 43

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BẠC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ SỬ DỤNG PVA VÀ PVP LÀM CHẤT Ổ ĐỊNH 44

3.1 Phổ hấp thụ Uv-vis của dung dịch bạc ion trước khi chiếu xạ……… 44

3.2 Nghiên cứu sử dụng PVA làm chất ổn định keo bạc nano 45

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ PVA đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano 45

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ ion bạc đến tính chất quang học, Dbh, dtb của keo bạc nano/PVA 49

3.2.3 Ảnh hưởng của chất bắt gốc tự do etanol đến đặc trưng của keo bạc nano/PVA 52

3.2.4 Ảnh hưởng của suất liều bức xạ đến các thông số đặc trưng keo bạc nano/PVA 54

3.2.5 Độ ổn định theo thời gian của keo bạc nano /PVA 55

3.2.6 Xác định thế điện động (ξ) của keo bạc nano/PVA 57

3.2.7 Nghiên cứu phổ XRD của bạc nano/PVA và PVA 57

3.3 Nghiên cứu sử dụng PVP làm chất ổn định keo bạc nano 58

3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ ion bạc đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/PVP 58

3.3.2 Ảnh hưởng khối lượng phân tử của PVP đến các thông số đặc trưng keo bạc nano 61

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, loại chất bắt gốc tự đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/PVP 63

3.3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ etanol đến đặc trưng của keo bạc nano/PVP 63 3.3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của loại chất bắt gốc tự do khác nhau (etanol, isopropanol) đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/PVP 66

3.3.4 Ảnh hưởng của suất liều bức xạ đến các thơng số đặc trưng keo bạc nano/PVP 68 3.3.5 Độ ổn định theo thời gian của keo bạc nano/PVP 69 3.3.6 Thế điện động (ξ) và phổ XRD của bạc nano/PVP 71

3.4 Nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của loại polyme (PVA và PVP) đến d tb và

D bh của keo bạc nano 73 3.5 Xác định hiệu suất chuyển hố và các chất độc hại của quá trình chế tạo keo bạc nano /PVA, bạc nano /PVP 74

CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BẠC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ SỬ DỤNG CHITOSAN VÀ CHITOSAN TAN NƯỚC LÀM CHẤT ỔN ĐỊNH 78 4.1 Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano sử dụng CTS làm chất ổn định 78

4.1.1 Phổ Uv-vis của dung dịch chitosan (CTS), CTS/Ag+ và keo bạc nano/CTS 78 4.1.2 Ảnh hưởng nồng độ ion bạc đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 79 4.1.3 Ảnh hưởng của chất bắt gốc tự do (etanol) đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 83 4.1.4 Ảnh hưởng của pH dung dịch trước chiếu xạ đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 85 4.1.5 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano 86 4.1.6 Ảnh hưởng khối lượng phân tử (Mw) của chitosan đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano 89

4.1.7 Ảnh hưởng độ đề axetyl (ĐĐA, %) của chitosan đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 92 4.1.8 Ảnh hưởng của suất liều bức xạ đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 94 4.1.9 Độ ổn định của keo bạc nano/CTS theo thời gian 96 4.1.10 Thế zeta và phổ XRD của keo bạc nano/CTS 98

4.2 Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano sử dụng CTS tan trong nước làm chất ổn định 99

4.2.1 Ảnh hưởng nồng độ CTS tan nước đến các tính chất đặc trưng của keo bạc nano 99 4.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ ion bạc đến các đặc trưng của keo bạc nano/CTS tan trong nước 102 4.2.3 Độ ổn định của keo bạc nano/CTS tan trong nước theo thời gian lưu giữ 104 4.3.4 Phổ XRD của CTS tan trong nước, bạc nano/CTS tan trong nước và bạc khối 105

4.3 Xác định hiệu suất chuyển hóa, nồng độ nitrat và axetandehyt khi chế tạo bạc nano/CTS, CTS tan trong nước 106

CHƯƠNG 5 : NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA KEO BẠC NANO 109 5.1 Nghiên cứu độc tính của keo bạc nano (Phương pháp Behrens-Kaber) 109

5.2 Nghiên cứu hiệu quả ức chế vi khuẩn E.coli và S.aureus của keo bạc

nano/PVA 109 5.3 Nghiên cứu hiệu ứng kháng khuẩn và kháng nấm của bạc nano/CTS và bạc nano/PVP 111

5.3.1 Hiệu quả diệt vi khuẩn Staphylococcus aureus 111

5.3.2 Hiệu lực kháng nấm Corticium salmonicolor 114

MỞ ĐẦU

Khoa học và công nghệ nano là lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng tạo ra các vật liệu có kích thước trong khoảng 0,1-100nm Vật liệu được chế tạo bằng công nghệ nano đã thể hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở liên hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật Hiện nay, nhiều nước trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển Ước tính tổng đầu tư cho lĩnh vực công nghệ nano trên toàn thế giới xấp xỉ 2 tỷ đôla và đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, sinh y, môi trường…[5, 18, 30]

Có hai cách tiếp cận chủ yếu chế tạo vật liệu nano:

- Từ trên xuống : phân chia từ vật liệu khối đến kích thước cỡ nanomet

- Từ dưới lên : xây dựng từ kích cỡ phân tử thành vật liệu kích cỡ nano thông qua các tập hợp nhỏ [30, 58, 86]

Phương pháp từ dưới lên được quan tâm nghiên cứu chế tạo hạt nano (kim loại, oxit, sunphua kim loại ) do tính nhanh chóng, tiện lợi và chi phí thấp Ví dụ như hạt nano kim loại thường được chế tạo từ dung dịch muối tương ứng bằng phương pháp khử hóa học, quang hóa, điện hóa và bức xạ ion hóa

Chế tạo hạt kim loại nano có kích thước theo yêu cầu và độ phân bố hẹp là mục tiêu của nhiều công trình nghiên cứu Đối với vật liệu kim loại nano, kích thước hạt là thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính của chúng do sự thay đổi diện tích tiếp xúc bề mặt Điển hình là bạc, khi ở kích thước nano, hoạt tính sát khuẩn tăng lên khoảng 50.000 lần so với bạc ion Khả năng sát khuẩn cao của bạc nano đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu [54, 78, 90]

Trong nước, lĩnh vực công nghệ nano đang được quan tâm đầu tư phát triển Mặc dù vậy, cho đến thời điểm thực hiện luận án này mới chỉ có một số ít công

trình chế tạo bạc nano trong đó có phương pháp chiếu xạ với sự tham gia của nhóm chúng tôi đăng trên Tạp chí Hóa học và Ứng dụng [1] Dung dịch keo bạc nano đã được Bộ Y tế cho phép đăng ký sử dụng làm chất kháng khuẩn trong y tế và gia dụng (Bộ Y tế: 09/2006/QĐ-BYT) [13]

Ngày nay, trước sự gia tăng các loại vi sinh vật gây bệnh kháng thuốc kháng sinh, các loại nấm gây bệnh thực vật thiếu thuốc đặc trị thì việc nghiên cứu chế tạo sản phẩm chứa bạc nano để tiêu diệt chúng là hướng đi mới và cấp thiết [78, 86] Nhiều kết quả nghiên cứu chế tạo bạc nano bằng bức xạ gamma Co-60 đều xác nhận phương pháp này có nhiều ưu điểm như: quá trình xảy ra ở nhiệt độ thường, sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước hạt đồng đều và có khả năng sản xuất với khối lượng lớn [27, 28, 58, 71]

Từ những thông tin ở trên, chúng tôi tiến hành chọn và thực hiện đề tài luận

án: “Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng bức xạ gamma Co-60 và một số ứng dụng của chúng trong y học và nông nghiệp”

Đề tài được tiến hành dựa trên các kết quả nghiên cứu chế tạo keo bạc nano và thử nghiệm hiệu lực diệt vi khuẩn, nấm bệnh của chúng trên cơ sở tham khảo một

và trừ nấm bệnh trong nông nghiệp

Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu sự phụ thuộc của liều xạ chuyển hóa bão hòa (Dbh) vào nồng độ ion Ag+ ban đầu, nồng độ và khối lượng phân tử (KLPT) polyme ổn định, nồng độ-loại chất bắt gốc tự do

- Nghiên cứu mối liên quan giữa kích thước trung bình (dtb) và phân bố kích thước hạt bạc vào các yếu tố ảnh hưởng

- Nghiên cứu tính chất điện hóa và độ bền của keo bạc nano

- Khảo sát độc tính, hiệu ứng diệt khuẩn và nấm bệnh của keo bạc nano nhằm ứng dụng trong y tế và nông nghiệp

Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo cho việc chế tạo keo kim loại nano bằng phương pháp bức xạ Từ kết quả của luận án, cho phép xây dựng quy trình công nghệ sản xuất keo bạc nano với số lượng lớn đáp ứng nhu cầu sử dụng làm chất sát khuẩn trong y tế, môi trường, xúc tác…và chất trừ nấm bệnh trong nông nghiệp

107 (52%) và Ag-109 (48%), có 29 đồng vị phóng xạ số nguyên tử khối từ 94-106,

108, 110-124 [77] Bạc là kim loại sáng trắng, dễ dát mỏng, có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện (face-centrered cubic, fcc), tỷ trọng

~ 10g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 9620C, nhiệt độ bay hơi 21620C, không tan trong nước, không bị tác dụng bởi oxi trong không khí, hoà tan trong axít HNO3 và H2SO4

đậm đặc [3, 19, 77]

Trong tự nhiên bạc thường có mặt trong hỗn hợp với vàng, chì và quặng đồng Trong lớp vỏ trái đất, bạc kim loại chiếm khoảng 0,075ppm, trung bình trong nước biển khoảng 0,014µg/L, trong nước ngọt khoảng 0,13µg/L, trong động vật biển khoảng 3-10ppm, động vật trên cạn khoảng 6ppm, thực vật từ 3-10ppm Đặc biệt, ngay trong cơ thể người, máu chứa khoảng < 2,7µg/L, xương 1,1ppm, [85] Các sản phẩm như đồng thau, hợp kim, chất hàn, tiền đúc, nhiều chất xúc tác, kính, hỗn hống răng, pin và các thiết bị điện đều chứa bạc nên nhu cầu về bạc kim loại là rất lớn [77, 85] Ngoài ra, bạc còn có tính chất sát khuẩn, chống mùi hôi, được con người biết đến từ nhiều thế kỷ qua, nhưng cơ chế tác dụng chưa được hiểu biết đầy

đủ[77, 91]

Từ lâu bạc đã được biết đến như một nguyên tố có tính năng kháng khuẩn, nó

có khả năng hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm mốc, vi khuẩn Bạc còn có khả năng phá hủy enzym vận chuyển chất dinh dưỡng của tế bào vi khuẩn, làm yếu

màng, thành tế bào và tế bào chất, làm rối loạn quá trình trao đổi chất, dẫn đến tiêu diệt vi khuẩn [19, 77, 80]

Từ thời Alexander Đại Đế (năm 356-323 trước công nguyên), con người đã biết sử dụng các dụng cụ bằng bạc để đựng thức ăn và đồ uống góp phần làm giảm nguy cơ ngộ độc Thời La Mã cổ đại, người ta dùng bạc nitrat trong điều trị vết thương vết bỏng và cả u bướu ác tính Trong sách thuật giả kim của Paracelsus có nói tác dụng của bạc như một chất làm lành [77]

Crede (1884), đã sử dụng dung dịch bạc nitrate nhỏ mắt cho trẻ sơ sinh để ngăn chặn sự nhiễm vi trùng lậu Vào những năm đầu của thế kỷ 20, kim loại bạc và dung dịch bạc nitrat cũng đã được dùng khá phổ biến trong các bệnh viện để chữa trị bỏng và sự nhiễm trùng da [90]

Cho đến nay, những đặc tính quý giá của bạc đã được con người khai thác sử dụng chế tạo nên các sản phẩm quen thuộc Đặc biệt những thuộc tính của kim loại này được thể hiện tối đa khi chúng được chế tạo bằng công nghệ nano Bạc nano có khả năng tiêu diệt đến 650 loài vi sinh vật gồm vi khuẩn, vi nấm kể cả virus [34, 78] Hiện nay trên thị trường đã có nhiều sản phẩm chứa bạc nano với công dụng chính là tính sát khuẩn, điển hình như băng gạc y tế (Acticoat, Curas, ), nước rửa rau quả Microdyn, nước tẩy trùng bề mặt (ASAP), nước khử mùi hôi cơ thể (Shiseido), quần áo chống khuẩn tự làm sạch, bình sữa kháng khuẩn của hãng Mummy (Hàn quốc) và thậm chí bạc còn có mặt trong các mặt hàng điện máy gia dụng như tủ lạnh, máy giặt sát khuẩn của Samsung, Daewoo [23, 54, 59, 67]

1.2 Các kết quả nghiên cứu vật liệu bạc nano trong và ngoài nước

Các vật liệu kim loại nano có nhiều tính chất mới lạ so với các kim loại khối

Ví dụ: đồng kim loại trở nên trong suốt, vàng và platin thể hiện hoạt tính xúc tác mạnh, bạc tăng khả năng sát khuẩn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó đạt tới kích thước tới hạn của vật liệu [18]

Kim loại nano đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như : vàng và platin nano được sử dụng trong việc xúc tác hiệu năng cao oxi hóa khí CO

ở nhiệt độ thấp và oxi hóa chọn lọc hydrocacbon [24, 25, 44, 69, 71], chuẩn đoán và điều trị ung thư [77, 89] Ngoài ra vàng nano cũng được sử dụng trong việc xác định pháp y dấu vân tay, cảm biến và xác định hàm lượng glucoza, khí CO, kim loại nặng, chế tạo mỹ phẩm và vi mạch trong các thiết bị điện tử [43, 83]… Bạc nano được dùng làm chất sát khuẩn, tiêu diệt nấm bệnh, chất xúc tác cho phản ứng hóa học, vi mạch điện tử [19, 78, 86]…Việc sử dụng vật liệu của công nghệ nano trong lĩnh vực điện tử trong thời gian vừa qua đã làm cho các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ, gọn, thông minh và siêu mạnh Khi kết hợp vật liệu nano với các vật liệu bán dẫn nano, polyme nano, compozit nano… thì khả năng tạo ra những sản phẩm mới

lạ có tính chất độc đáo là vô hạn [1, 18]

Theo nhận định của nhiều chuyên gia, công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc cách mạng đột phá trong nhiều ngành khoa học và đời sống, sẽ tạo ra tiền đề cho một “thế giới nhỏ hơn và thông minh hơn” [18]

+ Tình hình nghiên cứu trong nước:

Cho đến nay rất ít các công trình nghiên cứu về kim loại nano được công bố trên các tạp chí khoa học trong nước Đề tài nghiên cứu về vàng và platin nano để xúc tác chuyển hóa CO thành CO2 được tác giả Nguyễn Thiết Dũng Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đang thực hiện (2009-2010) Về bạc, nhóm tác giả Nguyễn Đức Nghĩa, Hoàng Mai Hà [60] công bố trên Tạp chí hóa học (2001) đã chế tạo được bạc nano bằng phương pháp khử ion bạc

sử dụng tác nhân oleate trong polyme ổn định, thu được các hạt bạc có kích thước

từ 4-7nm Tác giả Huỳnh Thị Hà và cộng sự (2006) đã nghiên cứu chế tạo vật liệu polyuertan phủ bạc nano sử dụng natri xitrat làm chất khử và chất ổn định là polymetylmetacrylat ứng dụng làm băng gạc trong điều trị các vết thương, vết loét khó lành [46] Hiện nay các phương pháp nghiên cứu điều chế bạc nano được thực hiện ở trong nước vẫn chủ yếu là dùng phản ứng khử hóa học và nhiều nhóm vẫn đang trong giai đoạn thực hiện Ví dụ : Phòng công nghệ nano trường Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh đang nghiên cứu tạo và ghép bạc nano lên polyureatan làm vật liệu lọc nước kháng khuẩn Tác giả Trần Thị Ý Nhi-Viện hóa

học-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đang thực hiện đề tài nghiên cứu chế tạo vật liệu bạc nano chitosan (2009-2010)

Cũng bằng phương pháp khử hóa học, mới đây tác giả Nguyễn Đức Thọ và cộng sự [6] đã công bố tổng hợp được vật liệu bạc nano composite trên chất mang silica sử dụng chất khử natri salixilat, thu được các hạt bạc có kích thước 21-28nm với hàm lượng bạc là 5,48% trong vật liệu

Phương pháp chiếu xạ chế tạo bạc nano hầu như ngoài công trình chúng tôi

đã công bố [1] đều chưa có tài liệu nào trong nước đề cập đến

+ Tình hình nghiên cứu ngoài nước :

Phương pháp chế tạo hạt kim loại nano nói chung và chế tạo bạc nano nói riêng đã được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu Phương pháp thường được sử dụng chủ yếu là : điện hóa, khử hóa học, khử nhiệt, sinh học, khử do bức xạ ion hóa … Nguyên tắc chung là khử các ion kim loại trong dung dịch thành nguyên

tử kim loại, sau đó các nguyên tử liên kết với nhau thành tập hợp rồi phát triển kích thước thành các hạt nano Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, các tính chất của hệ keo bạc nano, cơ chế ổn định hạt bằng polyme cũng đã được một số tác giả nghiên cứu [30, 37, 38, 47, 57, 65]

Sau đây là tổng hợp các kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu bạc nano, trong đó

đề cập kỹ đến phương pháp khử bức xạ bởi các công trình đã được công bố trên thế giới

1.2.1 Các phương pháp chế tạo bạc nano

Các vật liệu kim loại nano như vàng (Au), Platin (Pt), đồng (Cu), bạc (Ag) dưới dạng bột hay dung dịch keo được chế tạo chủ yếu bằng các phương pháp sau:

1.2.1.1 Phương pháp bay hơi vật lý

Bay hơi vật lý là phương pháp từ trên xuống, đó là một công cụ góp phần cho

sự phát triển công nghệ nano Bay hơi vật lý bao gồm kỹ thuật ngưng tụ khí trơ, đồng ngưng tụ và ngưng tụ dòng hơi phun trên bia rắn

Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ: cho hoá hơi sợi dây bạc tinh khiết ở nhiệt độ cao

trong điều kiện chân không, sau đó dòng hơi bạc nguyên tử quá bão hòa được ngưng tụ và phát triển thành hạt bạc khi tiếp xúc với khí heli được làm lạnh bởi nitơ lỏng

Kỹ thuật đồng ngưng tụ: tương tự như ngưng tụ khí trơ nhưng quá trình phát

triển hạt xảy ra trên lớp băng dung môi thích hợp (thường là izopropanol)

Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ và đồng ngưng tụ được thực hiện ở nhiệt độ cao (> 2.0000C), sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước hạt bạc nano trung bình 75nm (phương pháp ngưng tụ khí trơ), 15nm (phương pháp đồng ngưng tụ) [22] Ngoài

ra, lớp mỏng hạt bạc nano có kích thước trung bình từ 15-50nm lắng đọng trên nền thạch anh hay thuỷ tinh được làm lạnh sâu gọi là kỹ thuật ngưng tụ trên bia rắn ở nhiệt độ và áp suất cao cũng được tạo ra [84]

1.2.1.2 Phương pháp ăn mòn Laze

Đây cũng là phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa một lớp chất hoạt hóa bề mặt Một chùm laze dạng xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung 10 ns, tần số 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 laze, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO3Na (với n = 8; 10; 12; 14) có nồng độ từ 0,001-0,1M [84]

1.2.1.3 Phương pháp phân huỷ nhiệt

Hạt bạc nano kích thước trung bình 10nm được tổng hợp bằng phương pháp gia nhiệt phức bạc oleat đến 2900C, ổn định 1giờ, sau đó hạ nhiệt đột ngột đến nhiệt

độ phòng [54]

1.2.1.4 Phương pháp điện hóa

Hạt bạc nano có kích thước trung bình khoảng 17nm được tổng hợp trong bình điện phân, sử dụng tấm Pt (0,5 x 2,0cm) làm cực âm (catot) và dây xoắn Pt (dài

20cm) làm cực dương (anot), hai cực đặt cánh nhau 5cm Dung dịch điện phân gồm KNO3 và AgNO3, sử dụng polyme ổn định hạt bạc [92]

1.2.1.5 Phương pháp quang hóa

Sử dụng nguồn bức xạ UV từ đèn cực tím xenon-thuỷ ngân (150W) để chiếu

xạ hỗn hợp dung dịch ion bạc, izopropanol, axeton và các polyme làm chất ổn định Hạt bạc nano có kích thước trung bình ~ 7nm được tạo ra do sự khử ion bạc bởi tia cực tím và gốc tự do tương tự như phương pháp khử bức xạ [41]

1.2.1.6 Phương pháp siêu âm

Trước tiên, dung dịch ion bạc được khử thành bạc nguyên tử bằng nhiệt phân hay chất khử, sau đó dung dịch keo bạc được xử lý siêu âm để phân tán thành hạt bạc nano Phản ứng nhiệt phân thực hiện ở 6500C, tần số siêu âm từ 20-120kHz, thu được bạc nano có kích thước hạt ~ 20nm [65]

1.2.1.7 Phương pháp bức xạ vi sóng điện từ

Dung dịch hỗn hợp ban đầu gồm ion bạc, chất khử (như focmandehyt) và chất

ổn định (xitrat, polyvinyl pyrolidon-PVP) 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 Dung dịch keo bạc thu được có kích thước hạt trung bình ~ 15nm, tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng [47]

1.2.1.8 Phương pháp polyol

Ion bạc được khử thành bạc kim loại trong dung dịch nóng (60-700C) của polyme mạch thẳng có nhóm chức -OH (thường dùng là polyvinyl ancol, PVA) PVA vừa đóng vai trò là tác nhân khử, vừa làm chất ổn định Phương pháp này có thể chế tạo dung dịch keo bạc có kích thước hạt từ 10-30nm [37]

Phản ứng giữa ion Ag+ và PVA có thể biểu diễn như sau:

>R-OH + Ag+ → >R-O-Ag + H+→ >R-O-Ag → -R=O + Ag0 →

>R-OH + Ag+ → -R=O + Ag0 +H+ (1.1)

1.2.1.9 Phương pháp phản ứng thế

Sử dụng một kim loại có khả năng khử ion bạc thành bạc kim loại từ dung dịch muối bạc có mặt của chất ổn định Ví dụ như dùng đồng (Cu) kim loại phản ứng thế với bạc nitrat trong dung dịch PVP, chế tạo được keo bạc nano, có kích thước hạt ~ 50nm [51]

Trong phương pháp khử, tỉ lệ chất khử và nồng độ ion bạc, pH của dung dịch, nồng độ polyme ảnh hưởng đến hiệu suất và kích thước hạt bạc Phương pháp khử hoá học thu được hạt bạc kích thước 10-20nm [22, 33]

Gần đây có một số công trình nghiên cứu chế tạo keo bạc nano và bột bạc nano

từ bạc nitrat nhưng qua sản phẩm trung gian là oxit bạc (Ag2O) rồi từ Ag2O tiếp tục khử về Ago nhằm thu được keo bạc có nồng độ cao (vì phương pháp khử hoá học thường chỉ thu được keo bạc nano nồng độ thấp hơn 500ppm)

Đặc điểm của phương pháp chế tạo bột nano này là tiến hành qua hai giai đoạn Giai đoạn một, dùng NaOH để chuyển AgNO3 sang dạng Ag2O và phân tán bằng siêu âm hoặc khuấy từ có bổ sung natri dodecyl sunphat thành keo phân tán Giai đoạn 2, dùng hydazin hydrat khử keo Ag2O thu được bột bạc nano, hoặc focmandehyt khử keo Ag2O thu được dung dịch keo bạc Phương pháp khử keo

Ag2O, chế tạo bột bạc nano thu được hạt bạc có kích thước khoảng 60 -120 nm [22]

1.2.1.11 Phương pháp khử hóa bức xạ

Trong phương pháp bức xạ, nguồn bức xạ thường được sử dụng là bức xạ gamma phát ra từ đồng vị Co60, Cs137 và máy phát chùm tia điện tử gia tốc [58] Phương pháp khử hóa bức xạ ion hóa để chế tạo vật liệu nano kim loại đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu phát triển do nó có một số tính ưu việt:

- Không sử dụng các chất khử nên thân thiện môi trường, sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tác nhân khử sinh ra trong quá trình chiếu xạ phân tán đều trong toàn hệ phản ứng, chuyển hóa hoàn toàn bạc ion thành bạc kim loại

- Dễ dàng kiểm soát kích thước và phân bố kích thước hạt thông qua việc điều chỉnh nồng độ ion bạc ban đầu và liều hấp thụ

- Phản ứng thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường nên có thể sử dụng các chất ổn định không bền với nhiệt

- Phương pháp chế tạo giản tiện, có khả năng sản xuất khối lượng lớn, có hiệu quả kinh tế và bảo đảm an toàn môi trường [25, 35, 70]

1.2.2 Thuyết gốc tự do về phân ly bức xạ nước

Quá trình chiếu xạ dung dịch làm phát sinh các gốc tự do từ nước tác động đến quá trình khử Ag+ về Ag0 Vì vậy, trước khi xem xét cơ chế phản ứng khử hóa bức

xạ, chúng ta cần xem xét cơ chế phân ly bức xạ của nước

1.2.2.1 Cơ chế về phân ly bức xạ nước:

Weiss đã đưa ra thuyết gốc về sự phân li bức xạ của nước Trên cơ sơ kết quả nghiên cứu xác định các sản phẩm trung gian và sản phẩm bền tạo thành trong quá trình phân li bức xạ của nước trong nhiều công trình nghiên cứu, Tabata (1991) đã

mô tả tóm tắt quá trình phân li bức xạ của nước như sau: [8, 38, 40]

- Kích hoạt và ion hoá (10-16 s)

- Phản ứng giữa các sản phẩm phân li bức xạ nước với chất tan (10-10s)

- Phương trình tóm tắt phản ứng phân ly bức xạ nước như sau :

Hydro nguyên tử thể hiện tính chất khử, phản ứng khử của nó phụ thuộc vào

tính chất của chất tan và pH của môi trường Khi pH tăng, hoạt tính khử của nó tăng

lên Trong dung dịch axit, hydro nguyên tử có thể biểu hiện tính oxy hoá Theo ý kiến của một số tác giả thì ion được tạo thành trong môi trường axit như sau:

Các ion này có khả năng oxi hoá sắt (II), iodua và một số hợp chất hữu cơ Giá trị pKa của phản ứng bằng hoặc thấp hơn 2,7

Gốc tự do •OH có tính chất oxi hoá, đôi khi gốc •OH cũng là tác nhân khử, ví

dụ như trong trường hợp có mặt KMnO4 Khi pH > 9 gốc •OH có thể phân ly

Giá trị pKa của phản ứng trên khoảng 2-3 Rõ ràng là trong môi trường axit cao, HO•2 tồn tại ở trạng thái không phân ly và trong môi trường kiềm thì tồn tại ở trạng thái ion oxi Gốc HO•2 là tác nhân oxy hoá mạnh và là tác nhân khử yếu Ngược lại ion O2- là tác nhân khử hữu hiệu đối với nhiều ion

Các sản phẩm phân tử trong dung dịch chiếu xạ có thể được đo bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau Sự có mặt của các gốc tự do được xác nhận bằng phản ứng của nó với chất tan Bằng phép đo G(-S) (hiệu suất phân ly bức xạ của chất tan), đo G(H2) và G(H2O2) (hiệu suất hóa bức xạ của H2 và H2O2), dùng các số liệu thực nghiệm để thiết lập phương trình tỷ lượng các phản ứng hoá học bức xạ của hệ nghiên cứu rồi từ đó có thể tính toán được hiệu suất đầu của các sản phẩm phân ly bức xạ nước Hiệu suất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ chất

tan, pH của dung dịch, suất liều bức xạ… Nhiều hệ đã được ứng dụng để đo hiệu suất của các sản phẩm phân ly bức xạ của nước [8, 38]

1.2.3 Quá trình khử hóa bức xạ chế tạo bạc nano

1.2.3.1 Cơ chế của quá trình khử hóa bức xạ

Khi chiếu xạ dung dịch muối của các kim loại như Au, Pt, Cu, Ag, thì quá trình khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại sẽ diễn ra bởi các sản phẩm phân ly bức xạ của nước có khả năng phản ứng cao, đặc biệt là electron solvat hoá (e-aq) và gốc tự do Hy, yOH [56, 58, 72, 97]

Phản ứng phân ly bức xạ nước được tóm tắt như sau:

H2O ^^^Æ e-aq, Hy, yOH, H2O2, H2, H3O+ (1.17) Trong đó: e-aq có hiệu suất phân ly bức xạ G (e-aq) = 0,28 µmol/J, thế oxi hóa-khử E0(H 2 O/e -

aq ) = - 2,78 V và gốc tự do Hy có G(Hy) = 0,06 µmol/J, E0

(H + / H y ) = - 2,3V là hai tác nhân chính khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại, E0(Ag + /Ag 0 ) = - 1,8V Ví dụ : khi chiếu xạ dung dịch muối bạc phản ứng xảy ra như sau [24, 38, 84]:

tự do yOH thường là các alcol như izo-propanol, etanol, metanol gọi là chất bắt gốc tự do được bổ sung vào dung dịch trước khi chiếu xạ [24, 28, 49]

R2CHOH (RCH2OH) + yOH (yH) Æ R2yCOH (RyCHOH) + H2O (H2) (1.22)

Gốc tự do của các ancol có thế oxi hóa-khử (E0) trong khoảng - 2,1 đến -1,8 V,

tiếp tục khử ion bạc ở dạng cụm liên kết có thế oxi hóa-khử cao hơn E0(Ag+n/Ag0n)

~ 0,8V [85, 94] góp phần phát triển kích thước hình thành hạt bạc nano [72, 85]

R2yCO (RyCHOH) + Ag+n → Ag0

n + R2COH (RCOH) + H+ (1.23) Khi nồng độ chất bắt gốc tự do đủ lớn, phản ứng chỉ xảy ra một chiều tạo

Ag0 Nếu nồng độ chất bắt gốc tự do °OH nhỏ còn xảy ra quá trình [30, 56, 70]:

Ag0 + •OH → OH- + Ag+ (1.24) Nếu nồng độ chất bắt gốc tự do nhỏ, còn xảy ra hiện tượng khâu mạch hoặc cắt

mạch các polyme là chất ổn định nano bạc

Cũng như các phương pháp khác, ion bạc khi bị khử bởi bức xạ sẽ tạo các hạt

bạc nguyên tử, các hạt này phát triển và có xu hướng kết tụ hình thành dạng cụm

chứa nhiều nguyên tử và phát triển kích thước tạo hạt bạc nano [70, 72, 94] Để hạn

chế sự kết tụ tạo thành hạt lớn, các polyme với vai trò là chất ổn định được bổ sung

đồng thời vào dung dịch muối bạc Các chất ổn định có các nhóm chức ái lực cao

với bạc ion như -NH2, -COOH, -OH và phải dễ hòa tan trong nước, không hoặc

không phản ứng đáng kể với bạc ion trước khi chiếu xạ [70, 72] Thông thường các

polyme như polyvinyl ancol (PVA), polyvinyl pyrolidon (PVP), chitosan (CTS),

được sử dụng làm chất ổn định keo bạc nano trong phương pháp chiếu xạ [25, 49,

70, 72, 97]

1.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến động học phản ứng và kích thước hạt bạc

Các kết quả nghiên cứu chế tạo kim loại nano từ ion kim loại bằng bức xạ đều

xác nhận, tốc độ phản ứng phụ thuộc và tăng cùng chiều với nồng độ ion kim loại,

suất liều bức xạ và nồng độ chất bắt gốc tự do trong dung dịch

Kích thước hạt bạc phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong quá trình chiếu xạ Nồng

độ muối bạc ban đầu càng cao thì kích thước hạt bạc càng lớn, kích thước hạt bạc tỉ

lệ nghịch với nồng độ polyme ổn định [58, 85, 94, 97]

Trong hoá học bức xạ, đại lượng được quan tâm là liều xạ bão hoà (Dbh ) vì đó

là liều xạ tại thời điểm phản ứng xảy ra hoàn toàn Liều xạ bão hoà của quá trình chiếu xạ khử ion bạc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nồng độ chất chiếu xạ, suất liều, nồng độ chất bắt gốc tự do, pH dung dịch [22, 28, 56]

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến động học phản ứng và tính chất của keo bạc nano là: loại và KLPT polyme ổn định, nồng độ-loại chất bắt gốc tự do, pH của dung dịch [58, 85, 94, 97]

1.2.4 Cơ chế ổn định hạt bạc nano của polyvinyl ancol, polyvinyl pyrolidon và chitosan

1.2.4.1 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của polyvinyl ancol (PVA):

Công thức cấu tạo:

OH n

PVA là một polyme mạch thẳng, tổng hợp từ vinyl ancol, có khả năng hòa tan trong nước, phân huỷ và tương hợp sinh học, thân thiện môi trường PVA được sử dụng trong thành phần các vật liệu sinh học như: lá lách, thuỷ tinh thể, da, thiết bị tim mạch nhân tạo, băng vết thương, [22, 25, 37]

Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVA

Theo kết quả nghiên cứu của Bogle [25], khi chế tạo keo bạc nano bằng chiếu

xạ dòng điện tử gia tốc, sử dụng chất ổn định PVA cho kích thước hạt bạc khoảng 10-60nm, trong khi không có PVA kích thước hạt là 100-200nm Điều đó chứng tỏ trong quá trình chế tạo keo bạc nano, PVA đã làm hạn chế sự kết tụ của các hạt bạc thông qua liên kết của bạc với các nhóm •OH trên chuỗi mạng phân tử Mặt khác, gốc PVA• được tạo ra do phân ly bức xạ cũng có khả năng khử Ag+ thành Ag0, thúc đẩy hình thành nhanh các nhân keo bạc nên hạn chế sự hấp thụ của Ag+ lên nhân, làm giảm kích thước hạt

A g + O R H

A g +

R H O

A g +

R

A g + O

R

A g + O R

A g +

R H H O

A g + R

A g +

O

R

A g + O H

A g + O H O

A g +

H

A g 0 O R H

R

A g 0 O H R

A g 0

R H O

A g 0

R

A g 0 O H R

A g 0 O H R

A g 0

R H H O

A g 0 R

A g 0 O

R

A g 0 O

H

A g 0 O H O

A g 0

e-aq

R•

Hình 1.1: Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVA [22, 34-36, 70].

1.2.4.2 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của polyvinyl pyrolidon (PVP): Công thức cấu tạo:

PVP được tổng hợp từ phản ứng trùng hợp các vinyl pyrolidon, là một polyme

ưa nước và hòa tan trong nước, không độc, được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y

tế [48, 70, 92, 95]

n

Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVP

Zhang [95] và cộng sự đã sử dụng PVP để ổn định hệ keo bạc nano Kết quả chúng minh rằng, các hạt bạc hấp thụ mạnh lên bề mặt của PVP, chuỗi polyvinyl pyrolidon tạo ra hiệu ứng không gian, ngăn cản sự kết dính giữa các hạt Cơ chế

ổn định hạt bạc của PVP gồm các giai đoạn:

Đầu tiên, PVP chuyển một cặp electron từ nguyên tử oxi và nitơ trên mạch sang các orbital s và p của ion bạc tạo liên kết phối trí với ion bạc

PVP thúc đẩy sự hình thành nhân của kim loại bạc do phức ion Ag+-PVP dễ

bị khử hơn so với ion Ag+ tự do trong dung dịch vì ion Ag+ nhận điện tử từ PVP Chuỗi PVP ngăn cản sự kết tụ của các hạt bạc do hiệu ứng không gian

Ag + O N [CH2CH]

[CH 2 CH]

N O

[CH 2 CH] [CH 2 CH]

e aq

-•H

Hình 1.2: Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVP [51, 70, 92, 95]

1.2.4.3 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của chitosan (CTS):

Công thức cấu tạo :

Chitosan tan trong môi trường axít loãng [44, 74, 75, 83], có tính phân hủy và tương hợp sinh học, không gây độc môi trường [59, 82] Đặc biệt, chitosan có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, kháng oxi hóa, chống ung thư, tăng miễn dịch [43]

và thể hiện hiệu ứng kích kháng bệnh thực vật [7] Chitosan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như làm chất kháng vi sinh vật gây hại, làm bao bì ăn được, chất phụ gia, chất bổ sung cho thực phẩm, vật liệu hấp thụ xử lý kim loại và chất màu trong nước, vật liệu cố định enzym [26, 40, 60, 75]

Chitosan tan trong nước (CTS tan trong nước) là một dạng cấu trúc mới của chitosan, có độ đề axetyl khoảng 50%, tan trong nước ở pH 5-8, cấu trúc vô định hình CTS tan trong nước có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như làm thực phẩm chức năng giảm béo, chất làm lành vết thưng không để lại sẹo [60, 93]

Cơ chế ổn định hạt bạc nano của CTS

Phân tử CTS chứa các nhóm chức như -OH vị trí C-3 và C-6, và -NH2 vị trí

C-2 rất linh động có ái lực cao với ion kim loại [56, 69] Gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng CTS vừa làm chất khử vừa là chất ổn định để chế tạo vàng nano theo phương pháp thủy nhiệt Kết quả nhận được hạt vàng nano có kích thước khoảng 5nm [43]; 10-50nm [83]; 5-15nm [44] với độ phân bố kích thước hẹp và ổn định tốt theo thời gian lưu giữ Các tác giả Chen [28], Long [56] đã nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng phương pháp chiếu xạ γ-Co-60, sử dụng chitosan làm chất ổn định thu được hạt bạc có kích thước nhỏ hơn 10nm Hiệu ứng ổn định keo bạc nano của CTS được trình bày tóm tắt như sau: trong dung dịch Ag+ tạo phức với CTS thông qua liên kết với nhóm amin (NH2Ag+), khi chiếu xạ, tác nhân e-

aq và H• sẽ khử Ag+ thành Ag0, sau đó Ag0 hấp thụ Ag+ tạo thành Ag2+, quá trình tiếp diễn tạo

Agn0 ổn định trên cấu trúc mạng CTS và trên bề mặt hạt bạc tích điện dương

(-NH3+) nên gây ra lực đẩy tĩnh điện và hiệu ứng không gian [28, 44] làm hạn chế sự kết tụ của các hạt bạc [28] CTS còn thể hiện là chất bắt gốc tự do •OH tạo thành gốc tự do chitosan có khả năng khử ion bạc ở dạng cụm liên kết, thúc đẩy quá trình hình thành hạt bạc nano Tiến trình khử ion bạc, phản ứng bắt gốc tự do •OH và khử ion bạc ở cụm liên kết như sau [28, 60]:

Agn+ + R•C5H5O(OH)3(NH2)CH2OH Æ Agn + R’C5H5O(OH)3(NH2)CH2OH

Hình 1.3: Cơ chế ổn định keo bạc nano bằng CTS

Theo đánh giá của Temgire và Joshi [85] thì phản ứng bắt gốc tự do của ancol bậc 1, bậc 2 sẽ sinh ra một lượng nhất định andehyt hoặc xeton trong keo bạc nano, nhưng ancol bậc 3 hoặc ancol mạch nhánh thì không bị oxi hóa thành xeton Vì vậy, khi sử dụng CTS làm chất bắt gốc tự do thì không tạo thành độc tố và xeton Như vậy, các kết quả nghiên cứu trên cho thấy khả năng sử dụng CTS thay thế các chất khử hoá học, chất bắt gốc tự do để chế tạo bạc nano bằng phương pháp chiếu xạ là rất triển vọng Hơn nữa, bạc nano được ổn định bằng CTS có điện tích dương (do sự proton hóa nhóm –NH2) [55, 63, 73, 75, 85] nên sẽ gia tăng hoạt tính sát khuẩn do

có ái lực cao với tế bào vi khuẩn tích điện âm [55, 64, 74, 75, 86]

1.2.5 Các tính chất của keo bạc nano

1.2.5.1 Tính kháng khuẩn, kháng nấm của keo bạc nano

Hiện nay, do vi khuẩn ngày càng kháng thuốc nên các nhà khoa học đang tập trung đi tìm các tác nhân mới để diệt chúng và bạc là một trong những chất được tập trung nghiên cứu mạnh nhất

Sở dĩ bạc nano được ứng dụng vào việc kháng khuẩn vì bạc là kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ [18, 78, 86]

Bạc nano có tính kháng khuẩn, kháng nấm cao, phổ rộng (khả năng tiêu diệt

650 loài vi sinh vật, thậm chí cả virút HIV-typ1) [58, 62, 63, 87]

Hiệu lực kháng nấm bệnh thực vật của bạc nano cũng được nghiên cứu bởi

nhóm tác giả Park [64] Kết quả độ ức chế đạt tối đa 100% đối với nấm Botrysis cinerea, Rhizoctonia solani, Colletotrichum gloeosporioides, Magnaporthe grisea

và Pythium ultimum khi nuôi cấy trên môi trường dinh dưỡng có chứa 10 - 100ppm

keo bạc nano/silica Hiệu lực kháng nấm cao là do kích thước hạt bạc nhỏ (1-5nm), hạt bạc được ổn định tốt trên hạt silica, đồng thời silica cũng có hoạt tính kháng nấm bệnh thực vật và đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp

Nhờ đặc tính này mà bạc nano được các nhà nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước đặc biệt quan tâm, nhằm tạo ra các sản phẩm hữu ích phục vụ lợi ích của con nguời chẳng hạn như lĩnh vực y tế, hàng điện tử gia dụng, công nghệ giải trí

kháng thuốc kháng sinh điển hình là Staphylococcus aureus hay các loại vi nấm gây bệnh thực vật ví dụ như Corticiun salmonicolor thiếu thuốc đặc trị [29, 31, 34, 62,

86, 89] thì việc lựa chọn các chế phẩm chứa bạc nano rất được quan tâm

Theo trung tâm Nano Thượng Hải (Trung Quốc), bạc nano là một chất diệt khuẩn mới, tác nhân này được đánh giá là dễ sử dụng, an toàn và có khả năng phân tán cao trong môi trường nước

Thông thường nồng độ bạc sử dụng cho việc kháng khuẩn và sát trùng rất thấp,

ví dụ khoảng 5ppm cho việc diệt vi khuẩn Esherichia Coli hiệu quả đến 99,9% và khuẩn Staphylococcus aureus lớn hơn 99% [33, 52, 82] Vì vậy, bạc nano rất hữu

ích cho việc sử dụng làm chất diệt khuẩn, diệt nấm bệnh phục vụ cho nhu cầu của cuộc sống con người…[63, 77]

1.2.5.2 Các tính chất hóa lý của keo bạc nano

Keo bạc nano là một hệ keo điển hình, do kích thước của nó nhỏ hơn 10-5- 10-7

cm và được gọi là các hệ phân tán cao [4, 65] Vì vậy nó có đầy đủ các tính chất hóa lý điển hình của hệ keo

+ Các tính chất động học:

- Chuyển động Brown R :

Các hạt keo chuyển động không ngừng, năng lượng động học trung bình phụ thuộc nhiệt độ Quãng đường chuyển dịch trung bình theo thời gian t được tính theo phương trình Einstein:

t rN 3

RT x

πη

=

∆ (1.2)

- Khuyếch tán :

Sự khuyếch tán tuân theo định luật Fick 1 và 2

• Định luật Fick 1: lượng chất ni qua tiết diện S (vuông góc với chiều khuyếch tán) tỷ lệ thuận với S, thời gian t

.dtdx

dcDS

dni =− (1.3)

• Định luật Fick 2: mô tả sự biến đổi nồng độ theo thời gian

2 2dx

cd.Ddt

dc = (1.4) Trong đó : D là hệ số khuyếch tán, phụ thuộc nhiệt độ, bản chất dung môi

tăng lên làm

dx

dctăng nên tốc độ khuyếch tán cũng tăng cho đến khi đạt cân bằng sa lắng [4, 65]

Qua các hiện tượng điện động, có thể xác định được thế điện động zeta (ξ), nó

có ý nghĩa quyết định đến độ bền của hệ keo Thế ξ phụ thuộc rất nhiều yếu tố: thành phần pha, nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, bản chất môi trường phân tán, kích thước hạt… [4, 20, 21]

Thế zeta có thể âm hoặc dương (tùy điện tích của hạt keo) Giá trị của thế zeta cho biết độ bền của hệ keo, keo càng bền khi giá trị của ξ càng lớn [4, 43, 65]

1.2.5.6 Tính chất quang học của keo bạc nano tổng hợp bằng phương pháp bức

xạ γ -Co-60

Dung dịch keo có hiện tượng tán xạ và hấp thụ ánh sáng Hiện tượng tán xạ xảy ra khi kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng tới, cường độ tán xạ theo các hướng khác nhau thì khác nhau

Hiện tượng hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Lambert – Beer [4, 17]

Trong mục này sẽ trình bày những kết quả khảo sát của hiệu ứng bức xạ gamma đến hình thái và sự hấp thụ quang học của các hạt keo bạc nano được tạo thành trong polyme ổn định có khối lượng phân tử khác nhau; ảnh hưởng của nồng

độ muối kim loại, nồng độ và KLPT polyme ổn định đến quang phổ UV-vis Các kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) và chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng để đánh giá các đặc điểm về cấu trúc và kích thước hạt bạc

Trước khi chiếu xạ dung dịch, phổ UV-vis của chúng không có sự hấp thụ ánh sáng cực đại trong vùng 260-800nm Các mẫu đã được chiếu xạ với liều xạ là 1,0 và 2,0 kGy tạo thành keo bạc nano màu vàng sẫm

Dung dịch keo bạc có tính chất quang học đặc biệt do xuất hiện đỉnh hấp thụ cực đại ở bước sóng 410-440nm, khi kích thước hạt cỡ nanomét Nhiều công trình nghiên cứu khác đã xác định đỉnh hấp thụ cực đại trong UV-vis đặc trưng của bạc kim loại từ 380-440nm tùy vào kích thước hạt [22, 39, 51, 55, 84]

Trong nghiên cứu này đã sử dụng ba loại PVA có KLPT là 125.000, 30.000 và 14.000 Da với nồng độ 10-4M để ổn định keo bạc nano Khi sử dụng chất ổn định PVA có KLPT thấp (14.000Da), dung dịch keo bạc nano bị đục do kích thước hạt bạc lớn