NGHIÊN cứu TỔNG hợp NANO bạc và KHẢO sát KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

Theo phương pháp hóa học, thông thường nano bạc kim loại được điều chếtrong dung dịch bằng cách hoàn nguyên bạc từ bạc cơ nguyên tố hay trực tiếp từ bạcnitrat trong môi trường có mặt chấ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS TS TRẦN THÁI HÒA

Huế, 2015

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quảnêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Long Quang

Những lời đầu tiên trong luận văn này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến GS TS Trần Thái Hòa đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi về cả vật chất lẫn tinh thần để tôi

có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Cường với những giúp đỡ, hướng dẫn quý báu trong suốt thời gian tôi làm thực nghiệm.

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Hóa lý thuyết và hóa lý, phòng thí nghiệm Hóa học Ứng dụng đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn NCS Phan Hà Nữ Diễm đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng xin được gửi lời cảm ơn gia đình và bạn bè tôi đã động viên và giúp đỡ cả vật chất lẫn tinh thần trong thời gian thực hiện luận văn.

Huế, tháng 09 năm 2015

Học viên

Phạm Long Quang

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ATP Adenosine triphosphate

CMC Carboxymethyl cellulose

DDA Độ deacetyl (Degree of Deacetylation)

DNA Deoxyribo Nucleic Acid

E coli Escheria coli

FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ( Fourier Transfer - Infrared

Spectroscopy)

NC Natri citrate

SEM Hiển vi điển tử quét (Scanning Electron Microscopy)

SPR Cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance)

TEM Hiển vi điển tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy)UV-Vis Ultra Violet-Visible (Tử ngoại - khả kiến)

XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

bảng

3.1 Khả năng kháng khuẩn của nano bạc trong CTS 38

Số hiệu

1.2 Sự tạo thành dao động cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) 6

2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp nano bạc sử dụng NBlàm chất khử

chất ổn định khi thay đổi nồng độ Ag+

21

3.2

Các ảnh TEM và giãn đồ phân bố kích thước hạt của nano bạc

sử dụng NBlàm chất khử và NC làm chất ổn định khi thay đổi

nồng độ Ag+: (A) 1 %; (B) 0,1 %; (C) 0,05 %; (D) 0,025 %

23

3.3 Mô hình minh họa sự phát triển hạt mầm của nano bạc sử dụng 23

27

3.9 Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 90

oC theothời gian

28

3.10 Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 105

oC theothời gian

28

3.11 Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 120

oC theothời gian

29

3.12 Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 135

oC theothời gian

3.14 Các ảnh TEM và giãn đồ phân bố kích thước hạt của nano khi

thay đổi nồng độ CTS: (E) 1 %; (F) 0,1 %; (G) 0,003 %

Mô hình minh họa sự phát triển hạt mầm trong trường hợp:

không có dư Ag+ trong dung dịch (a) và có dư Ag+ trong dungdịch (b)

33

3.17 Các ảnh TEM của nano bạc trong CTS khi thay đổi nhiệt độ (12

giờ): (L) 90 oC; (M) 105 oC; (N) 120 oC; (O) 135 oC

34

3.18 Giãn độ nhiễu xạ XRD của nano bạc trong CTS 35

3.21 Sơ đồ minh họa tương tác hút điện tử trong dung dịch của CTS

3.25 Tương tác giữa các ion Ag+ với các nhóm thiol 41

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bạc từ lâu đã được biết tới là một chất diệt khuẩn hiệu quả và được sử dụng

để làm các dụng cụ sinh hoạt Từ khi công nghệ nano ra đời thì ứng dụng của bạcmới phát triển lên một tầm cao mới Sở dĩ nano bạc được nghiên cứu ứng dụng vàoviệc kháng khuẩn vì bạc là kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ Nanobạc không gây độc cho người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc bằng nồng độdiệt khuẩn (khoảng nồng độ < 100 ppm) Ở dạng phân tán với kích thước nanometthì khả năng diệt khuẩn của bạc được tăng lên gấp bội nhờ diện tích bề mặt riêng(m2/g) tăng nhanh Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi ở kích thước nano (từ 1-100 nm),hoạt tính sát khuẩn của bạc tăng lên khoảng 50000 lần so với bạc dạng khối, nhưvậy 1 g bạc nano có thể sát khuẩn cho hàng trăm m2 chất nền Điều này sẽ giúp chokhối lượng bạc sử dụng trong các sản phẩm sẽ giảm rất mạnh nên tỷ trọng của bạctrong giá thành trở nên không đáng kể Tuy nhiên cho tới nay, cơ chế kháng vi sinhvật của nano bạc vẫn chưa được hiểu biết rõ ràng Bằng các kỹ thuật chụp ảnh kínhhiển vi điện tử có độ phóng đại cao (TEM, SEM…), kết quả nghiên cứu cho thấy,hạt nano bạc bám dính với các thành phần điện tích âm trên bề mặt tế bào vi khuẩn,virut làm thay đổi tính thấm và sự hô hấp của màng tế bào Ngoài ra, các hạt bạc cókích thước nhỏ chui vào trong tế bào, kết hợp với các enzym hay DNA có chứanhóm sunfua hoặc phosphate gây bất hoạt enzym hay DNA dẫn đến gây chết tế bào.Hơn nữa, bạc nano có khả năng giải phóng Ag+ làm tăng hiệu quả diệt khuẩn củabạc nano [25]

Điều chế bạc kim loại có kích thước nano có thể tiến hành bằng nhiềuphương pháp khác nhau, nhưng phương pháp hóa học được xem là rẻ tiền và ít rủi

ro nhất Theo phương pháp hóa học, thông thường nano bạc kim loại được điều chếtrong dung dịch bằng cách hoàn nguyên bạc từ bạc cơ nguyên tố hay trực tiếp từ bạcnitrat trong môi trường có mặt chất hữu cơ và các chất phân tán (các polyme tantrong nước) Việc sử dụng các polyme có vai trò làm chất ổn định dung dịch các hạtnano kim loại đã được công bố, đáng chú ý là sử dụng các polyme tự nhiên như

CTS, alignate, CMC tiện cho liên kết với các chất khác [9], [10], [20], [24], [28],[29], [41].

Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp nano

bạc và khảo sát khả năng ứng dụng”.

2 Mục đích nghiên cứu

- Tổng hợp vật liệu nano bạc sử dụng hai chất khử khác nhau

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và khả năng ứng dụng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano bạc tổng hợp từ NB làm chất khử và

NC làm chất ổn định và CTS vừa làm chất khử vừa làm chất ổn định

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Phương pháp, điều kiện tổng hợp tương đối đơn giản

+ Sử dụng chất khử NB và CTS, không sử dụng các dung môi hữu cơ độchại

+ Khảo sát ở nhiệt độ cao khi sử dụng CTS

Trong nghiên cứu này chúng tôi chủ yếu tập trung vào CTS

4 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng một số phương pháp đặc trưng hóa lý để xác định hình thái, kíchthước và cấu trúc vật liệu bằng phương pháp đo TEM, XRD, UV–Vis, FT-IR

- Sử dụng phương pháp khuếch tán trên thạch đĩa để khảo sát khả năngkháng khuẩn của nano bạc trong CTS

- Phương pháp xử lý số liệu sử dụng phần mềm Excel 2007, OriginPro 8.0,ImageJ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: cung cấp thông tin về các mẫu nano bạc tổng hợp sử dụng

NB, NC và CTS ở điều kiện nhiệt độ cao

- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài này mở ra một hướng mới cho việc chế tạo các hạtnano bạc bằng dung môi “xanh” (CTS) thân thiện với môi trường Bên cạnh đó, sảnphẩm của đề tài có khả năng ứng dụng và an toàn cao

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn chia thành các chương sau:

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về khoa học nano và công nghệ nano

Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệpvào vật liệu ở các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tínhchất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn [36]

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc chế tạo, thiết kế,phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiểnhình dáng, kích thước trên cấp độ nm [36]

Người ta dùng khái niệm công nghệ nano là để chỉ lĩnh vực khoa học vàcông nghệ mà đối tượng nghiên cứu cũng như thao tác của nó có kích thước vàdung sai trong dải từ 0,1 nm tới 100 nm Với công nghệ này, cho phép chế tạo cácthiết bị mới dựa trên các tính chất vật lý quen thuộc của nguyên tử và phân tử.Những thiết bị chế tạo bằng công nghệ nano có các đặc tính siêu việt như nhỏ hơn,nhanh hơn, bền hơn hoặc thêm nhiều đặc tính hoàn toàn mới so với các thiết bịđược chế tạo trên nền tảng công nghệ cũ Công nghệ nano là sự kết tinh của nhiềuthành tựu khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau và là công nghệ có tính khả thi.Nhiều nhà nghiên cứu dự báo rằng, công nghệ nano sẽ đem lại một cuộc cách mạngmới, mà tiềm năng ứng dụng của nó mới chỉ đang được thảo luận ở mức độ sơ khai[43]

1.2 Tổng quan về nano bạc

1.2.1 Giới thiệu về nano bạc

Bạc tinh khiết (dạng khối) là một kim loại màu trắng, mềm, rất dễ dát mỏng,kết tinh thành hình lập phương và hình tám mặt Bạc tồn tại trong tự nhiên ở nhiềudạng khác nhau, phổ biến nhất là ở dạng khoáng quặng Argentine (đá bạc) Ag2S[27] Bảng 1.3 mô tả các thông số lý hóa cơ bản của bạc

Bảng 1.1 Các thông số lý hóa của bạc

Hình 1.1 là các dạng cấu trúc của bạc nano:

- Thanh nano, dây nano (nanorod, nanowire) (hình 1.1 a)

- Tấm nano, đĩa nano (nanosheet, nanoplate) (hình 1.1 b)

- Hạt nano hình cầu, tinh thể nano lập phương (spherical nanoparticle, cubicnanocrystal) (hình 1.1 c)

Hình 1.1 Các dạng cấu trúc của bạc nano 1.2.2 Tính chất dao động cộng hưởng plasmon bề mặt

Đặc điểm chung của các kim loại quý là sự hiện hữu dày đặc của các điện tử

tự do Đây chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng bóng loáng bề mặt, tính chấttruyền điện và truyền nhiệt ưu việt của kim loại Khi kích thước của hạt kim loạigiảm xuống đến một kích thước tới hạn nào đó, thì hiện tượng “dao động cộnghưởng plasmon bề mặt” sẽ xảy ra [42]

Bạc nano có mật độ điện tử tự do lớn nên các tính chất thể hiện có những đặctrưng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao

Hình 1.2 Sự tạo thành dao động cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR)

Hiện tượng “dao động cộng hưởng plasmon bề mặt” được giải thích là: điệntrường của sóng điện từ tác động lên các điện tử tự do trên bề mặt hạt nano, làmđiện tử bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực (hình 1.2) Sau đó, dưới tác dụng củalực phục hồi Coulombic, các điện tử sẽ trở lại vị trí ban đầu Vì có bản chất sóng,nên điện trường dao động làm cho sự phân cực này dao động theo Sự dao động nàyđược gọi là “plasmon” Khi tần số dao động của đám mây điện tử trùng với tần sốcủa một bức xạ điện từ nào đó, sẽ gây ra sự dao động hàng loạt của các electron tự

do Hiện tượng này gọi là “dao động cộng hưởng plasmon bề mặt” Như vậy, hiệntượng cộng hưởng plasmon bề mặt tức là dao động của các electron trên bề mặt củacác hạt, dẫn tới sự tương tác mạnh với bức xạ điện từ tại một tần số cộng hưởng.Đối với hạt nano bạc, dao động cộng hưởng plasmon dẫn tới sự hấp thụ mạnh củaánh sáng vùng khả kiến Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của dung dịchnano bạc Số lượng và vị trí của dãi plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thước vàhình thái của hạt nano Vì vậy, đỉnh cộng hưởng có thể xuất hiện trong vùng khảkiến đến vùng hồng ngoại gần Ngoài ra, hằng số điện môi của vật liệu cấu trúcnano, chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh, trạng thái của bề mặt (dung môi,chất ổn định) hay khoảng cách giữa các hạt cũng ảnh hưởng đến vị trí và hình dạngcủa dao động cộng hưởng plasmon bề mặt [34]

1.2.3 Các phương pháp tổng hợp bạc nano

Có hai phương pháp để tạo vật liệu nano là phương pháp từ trên xuống (top down): sử dụng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến các vật liệu khối kim loại có kích

thước lớn để tạo ra các vật liệu có kích thước nm và phương pháp từ dưới lên (bottom up): đây là phương pháp khá phổ biến hiện nay để chế tạo hạt nano kim loại Nguyên

-lý phương pháp này dựa trên việc hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên tửhay ion, các nguyên tử hay ion khi được xử lý bởi các tác nhân như vật lý, hóa học sẽkết hợp với nhau tạo các hạt kim loại có kích thước nm [8]

Trong phần này, chúng tôi chỉ trình bày một số phương pháp chế tạo bạcnano điển hình đã được biết khá rộng rãi trên thế giới

1.2.3.1 Phương pháp ăn mòn laser

Đây là phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặttrong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt Một chùm laser xung cóbước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90

mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm Dưới tác dụng của chùm laserxung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủbởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001đến 0,1 M [22]

1.2.3.2 Phương pháp vi sóng

Vi sóng (microwave) là một kỹ thuật cấp nhiệt bằng việc tạo dao động phân

tử ở tốc độ rất cao, khả năng cấp nhiệt nhanh và đồng nhất, giống như quá trìnhthủy nhiệt ở nhiệt độ cao Dung dịch ban đầu là dung dịch AgNO3, tác nhân khử làcác dung môi hữu cơ, chất ổn định là PVP hoặc PVA Dưới tác dụng của vi sóng thìcác hạt nano, dây nano, tấm nano được hình thành [37]

1.2.3.3 Phương pháp khử vật lý

Phương pháp khử vật lý dùng các tác nhân vật lý như sóng điện từ nănglượng cao như tia gamma [26], [33], tia tử ngoại [13], tia laser [5] khử ion kim loạithành kim loại Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý, có nhiều quá trình biến đổicủa dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụngkhử ion thành kim loại Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500

nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [5] chiếu vào dung dịch cóchứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là

chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc.

1.2.3.4 Phương pháp khử hóa lý

Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lý Nguyên lý là dùngphương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp điệnphân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại Trước khi xảy ra sựhình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nanobám lên điện cực âm Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ vớixung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch [17]

1.2.3.5 Phương pháp khử sinh học

Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại Người ta cấy vi khuẩn MKY3vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc Phương pháp nàyđơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn [19]

1.2.3.6 Phương pháp khử hóa học

Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loạithành kim loại Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còngọi là phương pháp hóa ướt Đây là phương pháp từ dưới lên Dung dịch ban đầu cóchứa các muối của kim loại như AgNO3 Tác nhân khử ion kim loại Ag+ thành Ago

thông dụng là các chất hóa học như vitamin C, natri bohidrua, formaldehyde,hydzazine, muối tactrate, muối citrate, các polyol (ethylene glycol, glycerol,sorbitol,…) (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có mộtcái tên khác là phương pháp polyol) [18] Để các hạt phân tán tốt trong dung môi

mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng chất bảo vệ (chất ổn định) Nó cóvai trò chủ chốt trong việc điều chỉnh kích thước hạt bạc Các chất bảo vệ thường làcác polyme và các chất hoạt động bề mặt như: polyvinyl pyrrolidone (PVP),polyvinyl ancol (PVA), polyethylene glycol (PEG), cellulose acetate,…

Phương pháp này thường được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm vì quytrình sản xuất ra nano bạc khá đơn giản, không đòi hỏi thiết bị quá hiện đại, dễkhống chế các điều kiện phản ứng để thu được kích thước hạt theo mong muốn

đồng thời có thể tổng hợp với lượng lớn Vì vậy phương pháp khử hóa học vớinhững ưu điểm nổi bật sẽ là sự lựa chọn tối ưu để tổng hợp các loại vật liệu này

1.2.4 Ứng dụng của nano bạc [14]

Với sự phát triển của công nghệ nano, bạc nano là một đối tượng nhận đượcnhiều chú ý của các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp Vì bạc nano khôngnhững mang lại những đặc tính đáng quý của vật liệu nano mà còn có những tínhchất riêng khác biệt ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

1.2.4.1 Ứng dụng của nano bạc đối với sức khoẻ và y học

Do con người luôn phải chịu sự tấn công của các loại vi khuẩn độc hại cótrong môi trường, chính vì vậy mà khoa học luôn phải tìm kiếm, tổng hợp nên cácvật liệu có khả năng diệt trừ vi khuẩn

Dù không quá lâu khi thế giới phát hiện ra công nghệ nano bạc có những tínhnăng tuyệt vời với khả năng bảo vệ sức khoẻ con người, nhưng chỉ hơn một năm trởlại đây Việt Nam mới xuất hiện dòng sản phẩm ứng dụng công nghệ được coi làcuộc cách mạng của thế kỉ XXI này

Công nghệ nano bạc được biết phù hợp với điều kiện khí hậu, môi trường vàvăn hoá tiêu dùng của nước ta Với những ưu thế vượt trội, công nghệ nano - côngnghệ siêu nhỏ đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong lĩnh vực sử dụng sảnphẩm thiết yếu phục vụ đời sống con người và được coi là tiêu chí cạnh tranh hàngđầu giữa các nhà sản xuất trên thị trường

Với diện tích bề mặt lớn, chỉ cần dùng một lượng nhỏ nano bạc mà tác dụngdiệt khuẩn đã tăng lên rất nhiều Bởi vậy mà rất nhiều vật dụng được tráng một lớpnano bạc để diệt khuẩn như máy điều hoà nhiệt độ, tủ lạnh, bình lọc nước,… nhằmkháng khuẩn và tiêu độc Bên cạnh đó không thể không nhắc tới một nhãn hiệuđược tin dùng trong suốt thời gian qua đó là bình sữa tiệt khuẩn và các dụng cụđựng thức ăn cho trẻ nhỏ của Mummy Bear Loại bình sữa tráng nano bạc này đangđược thu hút bởi tính năng ưu việt của nó như kháng khuẩn, tiêu độc, khử mùi, diệt

được 99,9% vi khuẩn E coli và Sta aureus gây bệnh tiêu chảy ở trẻ, ngoài ra khăn

ướt, hộp đựng thức ăn, quần áo trẻ em cũng đều được tráng một lớp bạc nano đểkháng khuẩn và tiêu độc

Trong y học, người ta dùng hạt nano bạc để làm các loại bông gạc y tế, cácdụng cụ phẫu thuật, dung dịch tẩy trùng và thành phần của một số dược phẩm,…

1.2.4.2 Ứng dụng của nano bạc trong công nghiệp điện tử

Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano lại có ảnh hưởng nhiều nhưđiện tử, công nghệ thông tin và truyền thông Bạc nano là một trong những vật liệuđược ứng dụng nhiều nhất trong lĩnh vực này Chúng không chỉ mang trong mìnhnhững tính chất ưu việt của vật liệu nano mà còn có hoạt tính xúc tác, tính điện, tínhquang, tính từ,… rất cao so với các vật liệu khác Do vậy nano bạc được ứng dụngtrong lĩnh vực điện tử để sản xuất những linh kiện, những vi mạch có thể truyền tải,ghi nhận, lưu trữ thông tin nhanh hơn và nhiều hơn Nhờ thế mà kích thước của cácthiết bị giảm xuống đáng kể mà chất lượng còn tăng thêm nhiều so với trước đây

1.2.4.3 Ứng dụng của nano bạc trong lĩnh vực may mặc

Các nhà nghiên cứu đại học Clemson (Mỹ) vừa chế tạo một loại chất phủmới, giúp con người có những bộ quần áo sạch mà không cần giặt bằng cách sửdụng các hạt nano bạc có độ dày bằng 1/1000 sợi tóc người Hạt nano tạo ra cácbướu tí hon trên mặt vải và lớp phủ polyme làm bướu vĩnh viễn bám vào vải Khivải tiếp xúc với nước, chẳng hạn dưới trời mưa, chất bẩn sẽ tự cuốn trôi dễ dàng

Có thể gắn lớp phủ vào mọi loại vải như: polyester, bông, lụa,… Chất phủmới cũng có tiềm năng được phủ lên quần áo trẻ em, quần áo bệnh viện, đồ thểthao, quân phục và áo mưa…

Với sự phát triển cao của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ nano,trong thời gian tới người ta còn khám phá ra nhiều đặc tính ưu việt hơn nữa của bạcnano để tạo ra các loại vật dụng tiện ích, nâng cao chất lượng cuộc sống và đẩynhanh tiến bộ xã hội

1.3 Giới thiệu về chitosan (CTS)

CTS là một polysaccharide mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích

D-glucosamine liên kết tại vị trí β-(1-4) là sản phẩm deacetyl hóa của chitin CTS làdẫn xuất deacetyl hóa của chitin trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm (-NHCOCH3)

ở vị trí C số 2 [30], [46]

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của chitin và CTS

Tên gọi: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose hay deoxy-β-D-glucopyranose Các tên gọi khác: Polyglusam; Deacetylchitin; Poly-(D)glucosamine

poly(1-4)-2-amino-2-Công thức phân tử: [C6H11O4N]n; Phân tử lượng: MCTS = (161,07)n

Trong phân tử CTS có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắtxích N-acetyl-D-glucozamin và nhóm -OH, nhóm -NH2 trong các mắt xích D-glucozamine có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là amit Phản ứng hoáhọc có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-, hoặcdẫn xuất thế O-, N- Mặt khác CTS là những polyme mà các monome được nối vớinhau bởi các liên kết β-(1-4)-glycozit; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các tácnhân như: axit, chất oxi hóa và các enzim thuỷ phân [45]

1.3.1 Tính chất vật lý của CTS

CTS là chất rắn màu vàng nhạt, tồn tại dạng bột hoặc dạng vảy, không mùikhông vị, có cấu trúc phân tử bền vững, là một base nên dễ dàng tác dụng với các

dung dịch acid để tạo thành muối hình thành chất điện ly cao phân tử, mà tính tancủa các phân tử này hình thành phụ thuộc vào bản chất của các ion có trong nó [47].

1.3.2 Độ deacetyl hóa

Quá trình deacetyl hóa bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tửchitin và hình thành phân tử CTS với nhóm amin hoạt động hóa học cao Độdeacetyl hóa là một tính chất quan trọng của CTS bởi vì nó ảnh hưởng đến tính chất

lý hóa và khả năng ứng dụng của CTS sau này Độ deacetyl hóa của CTS vàokhoảng 56 - 99 % (nhìn chung là 80%) phụ thuộc vào loại giáp xác và phương phápdeacetyl hóa

Có rất nhiều phương pháp để xác định độ deacetyl hóa của CTS như sử dụngthuốc thử ninhydrin, chuẩn độ theo điện thế, quang phổ hồng ngoại, chuẩn độ bằng

HI, chuẩn độ acid - base [47]

1.3.3 Phân tử lượng [12]

CTS là một polyme sinh học có phân tử lượng cao Tùy theo nguồn nguyênliệu và phương pháp chế biến, phân tử lượng của chitin thường lớn hơn 1 triệuDalton trong khi các sản phẩm CTS thương mại có khối lượng khoảng 100.000 –1.200.000 Dalton

Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định phân tử lượng của CTS CTSphân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao Độ nhớt phụ thuộcvào nhiệt độ và khối lượng phân tử của CTS

Phân tử lượng của CTS được xác định thông qua độ nhớt đặc trưng

Mối quan hệ giữa độ nhớt đặc trưng và phân tử lượng của polyme được biểuthị bằng phương trình Mark – Houwink:

Trong đó: [η] là độ nhớt đặc trưng, Mv khối lương phân tử trung bình độ nhớt,

K và α là hằng số Hằng số k và α không phụ thuộc vào khối lượng phân tử polymetrong một khoảng rộng, được xác định đối với từng cặp đôi: polyme-dung môi

1.3.4 Ứng dụng của CTS [47]

- Trong y dược: Từ CTS vỏ cua, vỏ tôm có thể sản xuất glucosamin, mộtdược chất quý dùng để chữa khớp Chúng thường được dùng làm các tác nhân hạcholesterol, vật liệu vá vết thương, vật liệu chữa bỏng, vật liệu y sinh học và dượcphẩm, chất chống đông máu, chống ung thư và làm kính áp tròng

- Trong công nghiệp: CTS được dùng trong nhiếp ảnh, trong ngành giấy vàtrong xử lý dệt nhuộm và in

- Trong nông nghiệp: CTS được dùng làm phân bón kích thích sinh trưởng

cây trồng, bảo quản rau quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao, dùng như một thànhphần chính trong thuốc trừ nấm bệnh (đạo ôn, khô vằn…), làm thuốc kích thích sinhtrưởng cây trồng cho lúa, cây công nghiệp, cây trồng, cây ăn quả

- Trong công nghệ thực phẩm: Dùng làm sản phẩm bảo quản hoa quả tươi vàthực phẩm chức năng cho con người

- Trong mỹ phẩm: Dùng làm sản phẩm chăm sóc da, chăm sóc tóc

- Trong xử lý môi trường: Dùng đề xử lý kim loại nặng trong nước thải, xử

lý nước thải dệt nhuộm (trừ nước thải chứa thuốc nhuộm base)

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

- Dung dịch Ag+ được chuẩn bị tương tự như mục 2.1.1 tuy nhiên nồng độdung dịch gốc là 4 %.

2.1.3 Khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano bạc trong CTS

Khả năng kháng khuẩn của nano bạc được thử trên hai loại vi khuẩn E coli (vi khuẩn gram âm) ATCC 25922 và vi khuẩn Sta aureus (vi khuẩn gram dương)

ATCC 25923 do khoa Sinh - Trường Đại học Khoa học cung cấp

Chúng tôi sử dụng phương pháp khuếch tán trên thạch đĩa [15] Tiến hànhnuôi cấy vi sinh vật kiểm định trên môi trường thạch đĩa có thành phần: 6 g peptone+ 4 g cao thịt + 20 g agar + 1000 mL H2O cất 1 lần, pH khoảng từ 6 - 7 được nấuđến khi dung dịch đồng nhất Dung dịch làm môi trường được chia vào các bìnhtam giác vô trùng (100 mL hoặc 250 mL tùy số đĩa Petri nuôi vi sinh vật kiểmđịnh) Sau đó hấp khử trùng trong 15 phút ở 1 atm Để nguội khoảng 40 - 50 oC, cấymột loại vi sinh vật bằng que vào một bình (một vòng que cấy trong 75 mL môitrường), lắc đều rồi rót ra đĩa Petri (75 mL cho 1 đĩa) Chờ khoảng 2 giờ cho dungdịch đông lại, dùng khoan nút chai để đục một lỗ chính giữa đĩa (đường kính 1,2cm) rồi nhỏ mẫu cần khảo sát vào lỗ Cho các đĩa vào tủ lạnh ở 4 oC trong 15 - 18giờ để kháng sinh đủ khuếch tán ra xung quanh trước khi vi sinh vật kiểm định pháttriển, sau đó cho vào tủ ấm (30 oC) trong 24 giờ và quan sát nếu có vòng vô khuẩnthì chứng tỏ mẫu tổng hợp được có khả năng kháng khuẩn

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis) [2], [4]

Phổ UV-Vis là loại phổ electron, ứng với mỗi electron chuyển mức nănglượng ta thu được một vân phổ rộng, là một phương pháp định lượng xác định nồng

độ của các chất thông qua độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch

Nguyên tắc: Cho chùm ánh sáng có độ dài bước sóng xác định trong vùngkhả kiến (Vis) hay trong vùng tử ngoại gần (UV) đi qua vật thể hấp thụ (thường ởdạng dung dịch) Dựa vào lượng ánh sáng đã bị hấp thụ bởi dung dịch mà suy ranồng độ (hàm lượng) của dung dịch đó

Cường độ tia tới: I0 = IA + Ir + I (2.1)

Trong đó: Iolà cường độ ban đầu của nguồn sáng; I là cường độ ánh sáng saukhi đi qua dung dịch; IA là cường độ ánh sáng bị hấp thụ bởi dung dịch và Ir làcường độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch, giá trị này được loại bỏbằng cách lặp lại 2 lần đo.

Cường độ hấp thụ bức xạ của 1 chất được xác định dựa trên sự giảm cường

độ chùm bức xạ khi chiếu qua dung dịch chứa chất khảo sát và được chứng minhbởi định luật hấp thụ ánh sáng của Bouguer-Lambert-Beer

C = 1 mol/L, l = 1 cm thì ε được gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam; nếu C = 1%, l =

1 cm thì ε được gọi là hệ số hấp thụ riêng (E))

Như vậy, độ hấp thụ của dung dịch tỷ lệ với nồng độ (C) và bề dày (l) củalớp chất khảo sát Trong luận văn này, phổ UV-Vis được ghi nhận từ thiết bị JascoV-630 tại khoa Hóa, trường Đại học Khoa học Huế Trong luận văn này, chúng tôitiến hành đo UV-Vis tất cả các mẫu tổng hợp được mà không pha loãng và mỗi mẫu

đo độ lặp lại ít nhất là hai lần

2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [2], [3], [4]

Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn,

sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sửdụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần),ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên màng quang học, hay ghi nhậnbằng các máy chụp kỹ thuật số

Phương pháp TEM cho bức ảnh chân thực về kích thước hạt của vật liệu.Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nano nhiễu xạ, kính hiển vi điện tửtruyền qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các nguyên tửtrong mẫu, theo dõi được cách sắp xếp đó trong chi tiết từng hạt, từng diện tích cỡ

micromet vuông và nhỏ hơn Nguyên lý hoạt động của phương pháp đo TEM đượctrình bày trên hình 2.1.

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động kính hiển vi điện tử truyền qua

2.2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X [48], [35]

Để xác định thành phần pha của mẫu, phương pháp ghi giản đồ nhiễu xạ tia

X thường được sử dụng

Giả sử có hai mặt phẳng nút hkl liên tiếp trên hình 3.1 nằm cách nhau mộtkhoảng dhkl Chùm tia X đơn sắc gồm các tia song song được chiếu lên tinh thể tạothành với các mặt này một góc θ Hai tia M1A1N1 và M2A2N2 có cùng bước sóng thìtheo Vulf-Bragg chúng sẽ giao thoa khi thỏa mãn phương trình:

Trong đó: λ là độ dài bước sóng của chùm tia X, θ là góc của chùm tia tớihợp với mặt phản xạ, d là khoảng cách giữa các mặt (hkl) và n là bậc phản xạ haybậc nhiễu xạ, h, k ,l ,là các chỉ số Miller

Hình 2.5 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên bề mặt tinh thể

Giản đồ XRD được ghi trên thiết bị D8-Advanced Bruker (Germany) vớianot Cu, khoảng ghi 2θ = 20 - 80°, bước nhảy góc 0,01°

Để đo XRD, chúng tôi ly tâm mẫu trên máy ly tâm R320 ở nhiệt độ 15 oC,tốc độ 6000 vòng/phút trong 30 phút, sau đó rửa 1 lần bằng nước cất 2 lần rồi tiếnhành ly tâm như ban đầu Mẫu sau đó được sấy ở nhiệt độ 40 oC đến khi khô hoàntoàn

2.2.4 Phổ hồng ngoại (FT - IR) [44]

Phương pháp phổ hồng ngoại dựa trên sự hấp thụ năng lượng bức xạ trongvùng hồng ngoại của phân tử do sự thay đổi trạng thái năng lượng chuyển độngquay và chuyển động dao động từ trạng thái năng lượng cơ bản đến trạng thái nănglượng kích thích

Phổ hồng ngoại ứng với chuyển động dao động của phân tử còn gọi là phổdao động chỉ xuất hiện khi có sự thay đổi momen lưỡng cực điện của phân tử khidao động Tần số dao động cơ bản của phân tử (ứng với bước chuyển từ mức nănglượng cơ bản lên mức năng lượng kích thích thứ nhất) phụ thuộc vào bản chất và độbền của liên kết hóa học trong phân tử và khối lượng các phân tử tham gia liên kết.Như vậy, tần số hấp thụ phổ hồng ngoại là đặc trưng cho cấu tạo hóa học của phântử

2.3 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

2.3.1 Hóa chất

- CTS có DDA = 94,1 %, khối lượng mol trung bình (KLPT) Mw = 182636

Da theo kết quả nghiên cứu của Lê Thị Lành và cộng sự [1]

- Bạc nitrat tinh thể (AgNO3): Đức.

- Axit acetic (CH3COOH): Trung Quốc

- Natri citrat (C6H5Na3O7.2H2O): Đức

- Natri Bohiđrua (NaBH4): Hàn Quốc

- Glycerol (C3H8O3): Trung Quốc

- Hóa chất dùng làm môi trường nuôi cấy vi khuẩn: Agar (Việt Nam);Peptone (Hàn Quốc); Cao thịt (Hàn Quốc)

- Nước cất 2 lần được cất tại phòng thí nghiệm hóa học ứng dụng - khoaHóa, Đại học khoa học Huế

- Các dụng cụ thủy tinh cần thiết: ống COD 10 mL, pipet paster (2 mL, 5

mL, 10 mL), bình định mức 50 ml, 100 ml, 250 mL, đũa khuấy, cốc thủy tinh cácloại

2.3.3 Thiết bị

- Máy khuấy từ gia nhiệt

- Máy ly tâm

- Tủ sấy

- Cân kỹ thuật, cân phân tích

- Máy rửa siêu âm

- Tủ cấy

- Tủ ấm.

- Nồi khử trùng

- Tủ lạnh