(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp nano bạc bằng phương pháp vi nhũ tương và ứng dụng để kháng khuẩn

-iv MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CÁM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii LỜI MỞ ĐẦU ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu nano 1.1.1 Các khái niệm 1.1.2 Tính chất vật liệu nano 1.1.3 Phân loại vật liệu nano 1.1.4 Các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano 1.2 Tổng quan hạt nano bạc hợp chất TiO2 1.2.1 Hạt nano bạc 1.2.2 Hợp chất TiO2 15 1.3 Giới thiệu phƣơng pháp tổng hợp nano bạc hợp chất TiO2 18 1.3.1 Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng 18 1.3.2 Phƣơng pháp Sol-gel 26 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 32 2.1 Chuẩn bị hóa chất dụng cụ thí nghiệm 32 2.1.1 Hoá chất 32 2.1.2 Dụng cụ thiết bị đƣợc sử dụng để tiến hành thí nghiệm 35 2.1.3 Các thiết bị đƣợc sử dụng việc phân tích mẫu 37 2.2 Quy trình thí nghiệm 37 2.2.1 Quy trình tổng hợp dung dịch nano bạc 37 2.2.2 Quy trình tổng hợp sol TiO2:Ag 38 2.2.3 Quy trình tạo mẫu màng bột TiO2:Ag 39 -v 2.3 Các phƣơng pháp phân tích mẫu 40 2.3.1 Phổ tử ngoại khả kiến UV-Vis (Ultraviolet – Visible) .40 2.3.2 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 41 2.3.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 43 2.3.4 Phƣơng pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn dung dịch nano bạc 43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 45 3.1 Tổng hợp dung dịch nano bạc 45 3.1.1 Kết phân tích UV-Vis 46 3.1.2 Kết phân tích TEM .50 3.1.3 Kết kiểm tra hàm lƣợng bạc thực tế mẫu 52 3.1.4 Kết phân tích khả diệt khuẩn .52 3.2 Kết tạo màng bột TiO2:Ag 54 3.2.1 Kết phân tích mẫu màng .54 3.2.2 Kết phân tích mẫu bột 56 CHƢƠNG 58 4.1 Kết luận .58 4.2 Hƣớng phát triển đề tài 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 PHỤ LỤC 62 -vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Số nguyên tử lƣợng bề mặt hạt nano hình cầu Bảng 1.2: Giá trị độ dài đặc trƣng số tính chất vật liệu Bảng 1.3: Một số số tính chất điện tử bạc Bảng 1.4: Tính chất vật lý bạc .9 Bảng 1.5: Sự so sánh hệ vi nhũ tƣơng 21 Bảng 3.1: Bảng tƣơng quan với mẫu bạc/cyclohexane .46 Bảng 3.2: Bảng tƣơng quan với mẫu bạc/isooctane 47 Bảng 3.3: Bảng tƣơng quan với mẫu bạc/ dodecane 48 Bảng 3.4: Bƣớc sóng hấp thu dung dịch nano bạc theo nồng độ AgNO3 .49 Bảng 3.5: Hàm lƣợng bạc thực tế dung dịch .52 Bảng 3.6: Hiệu suất diệt khuẩn dung dịch bạc 53 -vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thang đo nano Hình 1.2: Phƣơng pháp Top-down Bottom-down………………………………… Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể bạc Hình 1.4: Cấu hình electron bạc .7 Hình 1.5: Plasmon bề mặt kim loại 10 Hình 1.6: Dao động đám mây electron bị chiếu sáng .10 Hình 1.7 Quá trình dao động tập thể điện tử bề mặt hạt vàng 11 Hình 1.8: Phổ tiêu hủy (extinction) hạt nano Ag với kích thƣớc khác 11 Hình 1.9: Trƣờng phân bố quanh hạt Ag (bán kính nm) 12 Hình 1.10: Cơ chế diệt khuẩn nano bạc 13 Hình 1.11: Sơ đồ ion bạc vơ hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy 13 Hình 1.12: Ion bạc liên kết với base DNA .14 Hình 1.13: Một số sản phẩm ứng dụng nano bạc 15 Hình 1.14: Cấu trúc pha tinh thể rutile 16 Hình 1.15: Cấu trúc pha tinh thể anatase .16 Hình 1.16: Cấu trúc pha tinh thể brookite .16 Hình 1.17: Cơ chế quang xúc tác TiO2 17 Hình 1.18: Quá trình làm việc vải tự làm .17 Hình 1.19: Tính chất tự làm vật liệu phủ TiO2 .18 Hình 1.20: Giản đồ pha hệ vi nhũ tƣơng .20 Hình 1.21: Các dạng vi nhũ tƣơng 20 Hình 1.22: Quy trình tổng hợp hạt nano phƣơng pháp vi nhũ tƣơng 21 Hình 1.23: Cấu tạo cấu trúc micelle chất hoạt động bề mặt 23 Hình 1.24: Quá trình sol-gel sản phẩm 27 Hình 1.25: Quá trình thủy phân .29 Hình 1.26: Phản ứng ngƣng tụ .30 Hình 2.1: Máy đánh siêu âm 35 Hình 2.2: Cân điện tử máy khuấy từ 36 Hình 2.3: Máy quay ly tâm 36 -viii Hình 2.4: Máy nhúng lò nung 36 Hình 2.5: Sơ đồ tổng hợp dung dịch nano bạc 38 Hình 2.6: Sơ đồ tổng hợp sol TiO2:Ag 39 Hình 2.7: Sơ đồ tạo mẫu bột màng TiO2:Ag 40 Hình 2.8: Cƣờng độ tia sáng phƣơng pháp đo UV-VIS 41 Hình 2.9 : Máy đo phổ hấp thu UV-Vis 41 Hình 2.10: Sơ đồ nhiễu xạ tia X tinh thể 42 Hình 2.11: Máy chụp phổ XRD 42 Hình 2.12: Máy đo TEM, JEM – 1400 43 Hình 2.13: Vi khuẩn Escherichia coli 44 Hình 3.1: Các dung dịch nano bạc sau tạo thành 45 Hình 3.2: Dung dịch nano bạc bị kết tủa .45 Hình 3.3: Kết UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi cyclohexane .46 Hình 3.4: Kết UV-Vis mẫu nano bạc với dung mơi isooctane 47 Hình 3.5: Kết UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi dodecane 48 Hình 3.6: Phổ UV-Vis dung dịch nano bạc theo thay đổi nồng độ AgNO3 49 Hình 3.7: Ảnh TEM dung dịch nano bạc với dung mơi cyclohexane 50 Hình 3.8: Ảnh TEM dung dịch nano bạc với dung môi isooctane 50 Hình 3.9: Ảnh TEM dung dịch nano bạc với dung môi 51 Hình 3.10: Ảnh TEM dung dịch nano bạc với dung mơi dodecane .52 Hình 3.11: Hoạt tính kháng khuẩn dung dịch nano bạc 53 Hình 3.12: Sol TiO2:Ag trƣớc sau bị gel hóa .54 Hình 3.13: Phổ UV-Vis sol TiO2:Ag 55 Hình3.14: Phổ UV-Vis màng TiO2:Ag nung 600oC 55 Hình 3.15: Sự kết khối sol TiO2:Ag nhiệt độ phòng 56 Hình 3.16: Các mẫu bột TiO2:Ag 56 Hình 3.17: Phổ XRD mẫu bột TiO2:Ag 56 -ix LỜI MỞ ĐẦU Từ xƣa đến nay, bạc đƣợc biết đến nhƣ chất có khả kháng độc, diệt khuẩn Ngày nay, với đời phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ nano, bạc trở thành đề tài đáng quan tâm, ý nhà nghiên cứu khoa học Chức đặc trƣng nano bạc [15]: Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả phát xạ tia hồng ngoại xa, chống tĩnh Khơng có hại cho sức khỏe ngƣời với liều lƣợng tƣơng đối cao, khơng có phụ gia hóa chất Có khả phân tán ổn định loại dung môi khác (trong dung môi phân cực nhƣ nƣớc dung môi không phân cực nhƣ benzene, toluene) Độ bền hóa học cao, khơng bị biến đổi dƣới tác dụng ánh sáng tác nhân oxy hóa khử thơng thƣờng Ổn định nhiệt độ cao Chính nhờ chức đặc trƣng mà nano bạc đƣợc ứng dụng rộng rãi sống nhƣ ứng dụng cho vật liệu kháng khuẩn, vật liệu chống tĩnh điện, vật liệu cảm biến sinh học,… Có nhiều phƣơng pháp khác để tổng hợp nano bạc nhƣ: Phƣơng pháp hóa học [28]: chủ yếu sử dụng hóa chất có khả khử ion bạc thành nguyên tử bạc, sau nguyên tử kết hợp lại với để tạo hạt nano bạc Điển hình điều chế hạt nano bạc từ chất khử ascorbic axit, Citric axit, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol, Ethylene Glycol… Phƣơng pháp vật lý: phƣơng pháp thƣờng sử dụng tác nhân vật lý nhƣ điện tử [17], sóng điện từ lƣợng cao nhƣ tia gamma [41], tia tử ngoại [26], tia laser [16],… để khử ion bạc thành hạt nano bạc Một thí dụ sử dụng phƣơng pháp vật lý để chế tạo hạt nano bạc dùng tia laser xung có bƣớc sóng 500nm, độ rộng xung 8sn, tần số 10Hz, cơng suất 12-17mJ [16] Phƣơng pháp khử hóa lí: phƣơng pháp trung gian phƣơng pháp hóa học phƣơng pháp vật lý Để tạo hạt nano bạc, ta sử dụng phƣơng pháp điện phân kết hợp với siêu âm [46] Phƣơng pháp sinh học: phƣơng pháp ta dùng vi khuẩn, virus (vi khuẩn Fusarium oxysporum PTCC 5115, vi khuẩn MKY3,…) làm tác nhân để khử ion kim loại [44] -x Mỗi phƣơng pháp có ƣu điểm nhƣợc điểm riêng Chẳng hạn, phƣơng pháp hóa học để hạt phân tán tốt dung môi mà không bị kết tụ thành đám, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt hạt nano có điện tích đẩy Phƣơng pháp đơn giản nhƣng bị giới hạn số chất khử Còn phƣơng pháp sinh học đơn giản, thân thiện với mơi trƣờng tạo hạt với số lƣợng lớn Nhƣng nhìn chung, phần lớn phƣơng pháp khơng cho kết hạt nano đồng kích thƣớc hình dạng Gần đây, phƣơng pháp vi nhũ tƣơng đƣợc sử dụng nhiều giới để chế tạo hạt nano bạc khả điều khiển kích thƣớc hạt dễ dàng nhƣng Việt Nam lại có nhóm nghiên cứu theo hƣớng Mục tiêu luận văn tổng hợp nano bạc phƣơng pháp vi nhũ tƣơng ứng dụng để kháng khuẩn, thứ nhằm khắc phục nhƣợc điểm phƣơng pháp - đạt đƣợc hạt nano bạc có kích thƣớc nhỏ cỡ vài nanomet đồng đều, thứ hai để làm bƣớc đệm cho nghiên cứu phƣơng pháp vi nhũ tƣơng Đồng thời, bƣớc đầu chúng tơi cịn khảo sát thêm tính pha tạp nano bạc chất TiO2 Đây đề tài nghiên cứu vô hấp dẫn, chứng tỏ vai trò quan trọng nano bạc việc tăng cƣờng khả tự làm diệt khuẩn TiO2 mà khơng cần địi hỏi đến chiếu xạ UV CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu vật liệu nano 1.1.1 Các khái niệm Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, cần biết hai khái niệm có liên quan khoa học nano công nghệ nano Theo Viện hàn lâm hoàng gia Anh quốc: Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tƣợng can thiệp vào vật liệu theo quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Với quy mơ này, tính chất vật liệu khác hẳn so với tính chất chúng quy mơ lớn Công nghệ nano việc thiết kế, phân tích đặc trƣng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thƣớc quy mơ nanomét Vật liệu nano đối tƣợng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thƣớc vật liệu nano từ 0,1 nm đến 100 nm 1.1 Hình 1.1: Thang đo nano 1.1.2 Tính chất vật liệu nano [8][34] Vật liệu nano có tính chất đặc biệt khác hẳn với tính chất nguyên tố loại kích thƣớc khối Sự khác biệt tính chất vật liệu nano so với vật liệu khối bắt nguồn từ hai hiệu ứng sau đây: 1.1.2.1 Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử vật liệu gia tăng Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ hạt nano hình cầu Nếu gọi ns số nguyên tử nằm bề mặt, n tổng số nguyên tử mối liên hệ hai số nS = 4n2/3 Tỉ số số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử f = nS/n = 4/n1/3 = 4r0/r, r0 bán kính ngun tử r bán kính hạt nano Nhƣ vậy, kích thƣớc vật liệu giảm (r giảm) tỉ số f tăng lên Do nguyên tử bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất nguyên tử bên lòng vật liệu nên kích thƣớc vật liệu giảm hiệu ứng có liên quan đến nguyên tử bề mặt, hay gọi hiệu ứng bề mặt tăng lên tỉ số f tăng Khi kích thƣớc vật liệu giảm đến nm giá trị f tăng lên đáng kể Sự thay đổi tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt khơng có tính đột biến theo thay đổi kích thƣớc f tỉ lệ nghịch với r theo hàm liên tục Khác với hiệu ứng thứ hai mà ta đề cập đến sau, hiệu ứng bề mặt ln có tác dụng với tất giá trị kích thƣớc, hạt bé hiệu ứng lớn ngƣợc lại Bảng 1.1 cho biết số giá trị điển hình hạt nano hình cầu Bảng 1.1: Số nguyên tử lƣợng bề mặt hạt nano hình cầu Đƣờng kính hạt nano (nm) Số nguyên tử Tỉ số nguyên tử bề mặt (%) Năng lƣợng bề mặt (erg/mol) Năng lƣợng bề mặt lƣợng tổng (%) 10 30.000 4.000 250 30 20 40 80 90 4,08×1011 8,16×1011 2,04×1012 9,23×1012 7,6 14,3 35,3 82,2 1.1.2.2 Hiệu ứng kích thƣớc [8] Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc vật liệu nano làm cho vật liệu trở nên kì lạ nhiều so với vật liệu truyền thống Đối với vật liệu, tính chất vật liệu có độ dài đặc trƣng Độ dài đặc trƣng nhiều tính chất vật liệu rơi vào kích thƣớc nm Chính điều làm nên tên “vật liệu nano” mà ta thƣờng nghe đến ngày Ở vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn nhiều lần độ dài đặc trƣng dẫn đến tính chất vật lí biết Nhƣng kích thƣớc vật liệu so sánh đƣợc với độ dài đặc trƣng tính chất có liên quan đến độ dài đặc trƣng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất biết trƣớc Ở khơng có chuyển tiếp cách liên tục tính chất từ vật liệu khối đến vật liệu nano Chính vậy, nói đến vật liệu nano, phải nhắc đến tính chất kèm vật liệu Cùng vật liệu, kích thƣớc, xem xét tính chất thấy khác lạ so với vật liệu khối nhƣng xem xét tính chất khác lại khơng có khác biệt Tuy nhiên, may mắn hiệu ứng bề mặt dù kích thƣớc Ví dụ, kim loại, quãng đƣờng tự trung bình điện tử có giá trị vài chục nm Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại, kích thƣớc dây lớn so với quãng đƣờng tự trung bình điện tử kim loại có định luật Ohm cho dây dẫn Định luật cho thấy tỉ lệ tuyến tính dịng đặt hai đầu sợi dây Bây thu nhỏ kích thƣớc sợi dây nhỏ độ dài quãng đƣờng tự trung điện tử kim loại tỉ lệ liên tục dịng khơng cịn mà tỉ lệ gián đoạn với lƣợng tử độ dẫn e2/ħ, e điện tích điện tử, ħ Planck Lúc hiệu ứng lƣợng tử xuất Có nhiều tính chất bị thay đổi giống nhƣ độ dẫn, tức bị lƣợng tử hóa kích thƣớc giảm Hiện tƣợng đƣợc gọi hiệu ứng chuyển tiếp cổ điển-lƣợng tử vật liệu nano việc giam hãm vật thể không gian hẹp mang lại (giam hãm lƣợng tử) Bảng 1.2 cho thấy giá trị độ dài đặc trƣng số tính chất vật liệu 1.1.3 Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thƣớc nanomét Về trạng thái vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng khí Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu nay, chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí  Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân thành loại sau: Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thƣớc nano), ví dụ đám nano, hạt nano Vật liệu nano chiều vật liệu chiều có kích thƣớc nano, cụ thể dây nano, ống nano , Vật liệu nano hai chiều vật liệu hai chiều có kích thƣớc nano nhƣ màng mỏng (có chiều dày kích thƣớc nano), Ngồi cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thƣớc nm, cấu trúc có nano khơng chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn  Phân loại theo tính chất vật liệu thể khác biệt kích thƣớc nano: Vật liệu nano kim loại Vật liệu nano bán dẫn Vật liệu nano từ tính Vật liệu nano sinh học … 52 Hình 3.10: Ảnh TEM dung dịch nano bạc với dung môi dodecane sau thời gian tháng So sánh ảnh TEM mẫu dung dịch nano bạc với dung môi dodecane tạo thành ngày 23/02/2012 (ký hiệu: MAU_2302, comment:dodecane Ag) chụp ngày 26/02/2012 (hình 3.9) ngày 27/06/2012 (hình 3.10), ta thấy hạt nano bạc dung dịch sau thời gian tháng khơng thay đổi nhiều hình dạng kích thƣớc 3.1.3 Kết kiểm tra hàm lƣợng bạc thực tế mẫu Bảng 3.5: Hàm lƣợng bạc thực tế dung dịch Dung dịch Ag/cyclohexane Ag/isooctane Ag/dodecane Nồng độ bạc (ppm) 33.69 49.81 36.26 Bảng (3.5) thể hàm lƣợng bạc thực tế mẫu với tỷ lệ gữa nƣớc AOT ɷ =5 3.1.4 Kết phân tích khả diệt khuẩn Các dung dịch nano bạc sau phân tích, hàm lƣợng thực tế mẫu đƣợc đem pha loãng với dung môi nồng độ khác đƣợc tiến hành phân tích khả kháng khuẩn 53 (a) (b) Hình 3.11: Hoạt tính kháng khuẩn dung dịch nano bạc với dung môi khác (a): Dung môi cyclohexane; (b): Dung môi dodecane Bảng 3.6: Hiệu suất diệt khuẩn dung dịch bạc nồng độ khác Dung dịch Pha loãng Nồng độ Ag (ppm) Kết sau tiếp xúc phút Vi khuẩn sống (CFU/mL) Hiệu suất diệt khuẩn x 107 Đối chứng Tỷ lệ ban đầu lần Ag/cyclohexane lần 10 lần 33.69 16.85 6.74 3.37