9. Kết cấu của luận án
1.2.Tổng quan về nano bạc và phương pháp tổng hợp
1.2.1. Nano bạc
1.2.1.1. Đặc điểm và tính chất của nano bạc
Nano bạc (AgNPs) là những hạt bạc có kích thước nano (1 nm = 10-9 m), khoảng từ 1 - 100 nm, gần với kích thước của phân tử bạc. Các hạt nano bạc có diện tích mặt rất lớn và có nhiều hình dạng khác nhau như hình cầu, lục giác, hình bát giác và dạng tấm mỏng [43]. AgNPs có nhiều tính chất khác biệt so với bạc dạng khối. Ngoài các tính chất chung của vật liệu nano kim loại như có độ dẫn điện cao, hoạt tính xúc tác, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước và có mật độ điện tử tự do lớn [43], vật liệu nano bạc còn có một số tính chất khác như sau:
a. Tính chất quang
Tính chất quang học của các hạt nano kim loại bạc bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR: surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong AgNPs hấp thụ ánh sáng. Phổ hấp thụ phân tử cực đại của hạt nano bạc dao động trong khoảng bước sóng từ 380 - 600 nm, và phụ thuộc vào kích thước của hạt nano bạc. Khi kích thước hạt nano bạc tăng thì cường độ peak hấp thụ cực đại tăng và dịch chuyển về phía bước sóng dài. Các yếu tố trong quá trình chế tạo và tổng hợp nano bạc quyết định đến kích thước hạt tạo được. Nếu cùng một điều kiện, phương pháp tổng hợp khác nhau thì kích thước hạt nano bạc thu được khác nhau nên peak hấp thụ cực đại cũng khác nhau (Hình 1.12). Nếu cùng phương pháp tổng hợp mà thay đổi điều kiện của phản ứng như thời gian, nhiệt độ hoặc nồng độ chất tham gia phản ứng thì cũng làm thay đổi phổ hấp thụ phân tử cực đại của hạt nano bạc tạo ra [44]. Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa AgNPs với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano.
13
Hình 1.12: Phổ UV-Vis và màu sắc của AgNPs có đường kính từ 5 - 100 nm [44].
b. Tính diệt khuẩn
Hạt nano bạc ở kích thước nhỏ thì có tỷ lệ phần trăm số nguyên tử nằm trên bề mặt rất lớn (hầu hết các nguyên tử tập trung tại bề mặt của hạt AgNPs). Có một số ít các nguyên tử nằm phía trong, còn lại đều nằm trên bề mặt ngoài với số lượng lớn và chúng không bị che chắn bởi các lớp, chính vì thế năng lượng bề mặt là rất nhỏ do đó chúng dễ dàng tách ra khỏi lớp bề mặt khiến chúng trở lên linh động hơn. Như vậy, nếu như ở vật liệu thông thường (vật liệu khối, không phải kích thước nano) chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu phía trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong cấu trúc của vật liệu nano, hầu hết các nguyên tử đều được nằm trên bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Vì thế, các nguyên tử trở nên linh động hơn do năng lượng bề mặt giảm. Những nguyên tử này rất dễ tách ra và các hạt AgNPs dễ dàng giải phóng các ion bạc mang diện dương (Ag+), các ion Ag+ này có tác dụng kháng nấm, vi khuẩn gây bệnh theo cơ chế đặc thù [45-47]. Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc được minh họa trên Hình 1.13 [48].
Hình 1.13: Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc [48].
Cơ chế thứ nhất: AgNPs bám dính lên thành tế bào vi khuẩn do lực hút tĩnh điện giữa điện tích dương của các ion bạc được tạo ra từ quá trình oxy hóa AgNPs và màng tế bào tích điện âm của vi sinh vật. AgNPs cũng có ái lực mạnh với các protein chứa lưu huỳnh trong thành tế bào vi sinh vật. Các hạt AgNPs liên kết các cầu nối này
1. Bám dính lên
màng tế bào
2. AgNPs xâm nhập vào bên trong tế bào và
phá hủy các cấu trúc bên trong tế bào
3. Tạo ra các gốc tự do oxi hóa 4. Tương tác giữa nano bạc và DNA của vi khuẩn Chuỗi đôi Chuỗi đơn
14
trong cấu trúc tế bào của vi sinh vật và giải phóng ion bạc từ các hạt nano bạc bằng cách tương tác với các nhóm thiol của nhiều enzyme quan trọng hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến làm thay đổi cấu trúc ADN của tế bào vi sinh vật, làm cho vi khuẩn không thể tái tạo mARN hình thành protein mới. Biến đổi đó sẽ làm cho vi khuẩn phát triển chậm dần và cuối cùng sẽ bị tiêu diệt [43, 47, 48].
Cơ chế thứ 2: AgNPs xâm nhập vào bên trong tế bào và phá hủy các cấu trúc bên trong tế bào. Sau khi thâm nhập của vào tế bào, các hạt nano này sẽ bắt đầu liên kết với các cấu trúc tế bào và các phân tử sinh học như protein, lipit và ADN, do đó phá hủy cấu trúc bên trong của vi khuẩn dẫn đến cái chết của vi khuẩn [43, 47, 48].
Cơ chế thứ 3: AgNPs gây ra độc tính tế bào bằng cách tạo ra các phản ứng oxi hóa, tạo ra các gốc tự do. Các hợp chất này có thể gây ra tổn thương lipit, rò rỉ các phân tử sinh học tế bào và cuối cùng dẫn đến cái chết của vi khuẩn [43, 47, 48].
Cơ chế thứ 4: Vô hiệu hóa enzym có chứa các nhóm -SH và -COOH, phá vỡ cân bằng áp suất thẩm thấu, hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến làm thay đổi cấu trúc ADN của tế bào vi sinh vật (tác động trực tiếp đến cấu trúc ADN), hay chính là làm cho vi khuẩn không thể tái tạo mARN để sao chép tạo các protein mới. Biến đổi đó sẽ làm cho vi khuẩn phát triển chậm dần và cuối cùng sẽ bị tiêu diệt [43, 47, 48].
c. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử bên trong vật liệu nên chúng dễ dàng tái sắp xếp để ở trạng thái khác hơn. Do đó, khi kích thước hạt nano giảm đi, thì nhiệt độ nóng chảy cũng sẽ giảm. Khi bạc ở dạng khối thì nhiệt độ nóng chảy có nó là 961,78°C nhưng khi chúng ở kích thước nano thì nhiệt độ nóng chảy của nó chỉ dao động khoảng 200°C tùy thuộc vào kích thước hạt [49].
Tóm lại, hạt AgNPs có các tính chất chung của vật liệu nano kim loại như có độ dẫn điện cao, hoạt tính xúc tác, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước, có mật độ điện tử tự do lớn và có thêm các tính chất khác như tính chất nhiệt, quang, kháng khuẩn. Hạt nano bạc có nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào điều kiện chế tạo chúng. Hình dạng, kích thước của AgNPs quyết định đến hiệu quả kháng khuẩn cũng như tác động của chúng đến môi trường, sức khỏe con người.
1.2.1.2. Phương pháp tổng hợp nano bạc
Hạt nano bạc được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, phân thành hai nhóm chính: (1) đi từ dưới lên (bottom - up): từ các nguyên tử bạc kết hợp với nhau thành hạt nhỏ, rồi liên kết lại với nhau thành hạt to hơn, và (2) đi từ trên xuống (top - down): vật liệu dạng khối được phân chia nhỏ ra thành các hạt có kích thước nano. Sau đây là một số phương pháp tổng hợp AgNPs thường hay sử dụng [50-55].
a. Phương pháp hóa học
Để tổng hợp nano bạc trong dung dịch bằng phương pháp hóa học cần phải có 3 yếu tố chính: (1) ion bạc, (2) chất khử và (3) chất ổn định [50, 56]. Nguyên lý cơ bản của phương pháp khử hóa học được thể hiện như sau:
15
Ion Ag+ dưới tác dụng của chất khử X tạo ra nguyên tử Ago. Sau đó, các nguyên tử này kết hợp với nhau tạo thành nano bạc [56].
* Chất khử hoá học (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tác nhân khử là yếu tố có tính chất quyết định kích thước, hình dạng hạt tạo thành. Nếu chất khử quá mạnh, quá trình diễn ra quá nhanh, số lượng hạt nano bạc sinh ra quá nhiều sẽ kết tụ lại với nhau tạo ra các hạt có kích thước lớn hơn. Ngược lại, nếu chất khử quá yếu, quá trình tổng hợp sẽ đạt hiệu suất thấp, thời gian phản ứng quá dài làm phát sinh nhiều sản phẩm phụ không mong muốn [57].
Các tác nhân khử thường được dùng: Natri borohydrua, natri citrat, hydro, hydroxylamin, hydrazin, foocmandehit và các dẫn xuất... [45, 56]
* Chất ổn định
Các chất ổn định này có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh kích thước hạt nano bạc bằng cách khống chế sự lớn lên của các hạt nano bạc và ngăn cản sự keo tụ của chúng. Các chất ổn định thường là các polymer và các chất hoạt động bề mặt như polyvinylancol, polyetylglycol, celluloseaxetat, silica… [52, 56]. Cơ chế ổn định do phân tử các chất ổn định thường có các nhóm phân cực có ái lực mạnh với ion bạc (Ag+) và các phân tử bạc kim loại. Đó là nhóm –OH ở polyvinylancol, celluloseaxetat, silica…, nhóm chứa nguyên tử O, N trong polyvinyl pyroidone, nhóm –COO trong các axit béo, nhóm –SH trong các thiol Rn(SH)(OH) [45]. Trong quá trình phản ứng, do các ion Ag+ đã được gắn lên trên các polymer nên không thể lớn lên một cách tự do. Hơn nữa các hạt nano bạc khi vừa hình thành đã được ngăn cách với nhau bằng lớp vỏ polymer và không thể kết tụ được với nhau. Điều này đã khống chế cả quá trình lớn lên và tập hợp của các hạt, do đó sẽ tạo kích thước hạt nhỏ đồng đều. Bên cạnh đó các yếu tố khác như: pH, nồng độ chất tham gia phản ứng, nhiệt độ của phản ứng, tốc độ, thời gian phản ứng… cũng ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm tạo thành [52].
b. Phương pháp vật lý
Đây là phương pháp sử dụng các tác nhân vật lý như điện tử, sóng điện từ như tia UV, gamma, tia laze khử ion bạc thành hạt nano bạc [52]. Dưới tác dụng của tác nhân vật lý, dung môi và các chất phụ gia trong dung môi sẽ sinh ra các gốc tự do có tác dụng khử ion bạc thành nguyên tử bạc và chúng kết tụ tạo thành các hạt nano bạc.
c. Phương pháp sinh học
Trong phương pháp này, AgNPs được tổng hợp bằng phản ứng giữa ion bạc với chất khử sinh học có trong dịch chiết thực vật, vi khuẩn, nấm men và tảo [46, 58]. Phương pháp sinh học còn được biết đến là phương pháp tổng hợp hoá học xanh [59]. Một số chủng vi khuẩn thường được sử dụng để tổng hợp AgNPs như Pseudomonas stutzeri AG259, Bacillus megaterium, Escherichia coli... và nấm Fusarium oxysporum, Phanerochaete chrysosporium... [46, 58]. Tổng hợp AgNPs sử dụng vi sinh vật có nhiều hạn chế so với thực vật ở thời gian tổng hợp dài hơn (có thể kéo dài đến vài ngày) và khâu chuẩn bị, bảo quản, nuôi cấy vi sinh vật phức tạp hơn [60]. Thực vật là nguồn nguyên liệu tái sinh dễ dàng, an toàn và không độc hại chứa nhiều hợp chất có khả năng khử ion kim loại [61]. Các hợp chất có trong thực vật bao gồm polyphenol, axit ascobic, flavonoid, sterol, triterpen, ancaloit, polysacarit, saponin,
16
-phenylethylamines, glucose và fructose, protein/enzyme... Những hợp chất này không chỉ đóng vai trò là chất khử mà còn là chất ổn định trong quá trình tổng hợp AgNPs [58, 62]. Tỉ lệ chất khử sinh học và nồng độ ion bạc, nồng độ chất khử sinh học cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và kích thước AgNPs [51]. Các nghiên cứu cho thấy, nếu tăng nồng độ AgNO3 thì tốc độ phản ứng cũng nhanh hơn do có một lượng lớn hạt AgNPs được hình thành trong một thời gian ngắn. Tuy nhiên, khi nồng độ AgNO3 tăng, các hạt AgNPs sẽ va chạm với nhau thường xuyên hơn (do mật độ lớn) và kết quả là chúng sẽ bị kết tụ lại với nhau [54].
Tóm lại, phương pháp hóa học để tổng hợp nano bạc khá đơn giản, không đòi hỏi quá nhiều thiết bị hiện đại, dễ khống chế các điều kiện phản ứng để thu được kích thước hạt theo mong muốn. Tuy nhiên, những hóa chất được sử dụng có hoạt tính cao và tiềm ẩn rủi ro sinh học và môi trường. Phương pháp vật lý không sử dụng hóa chất nguy hiểm và hoạt tính cao, có thời gian xử lý nhanh nhưng tốn nhiều năng lượng và đòi hỏi thiết bị phức tạp. Phương pháp sinh học có nhiều ưu điểm hơn so với hai phương pháp kia là quy trình đơn giản, ít tốn kém, thân thiện môi trường, dễ sản xuất với quy mô lớn, năng suất cao, hạt nano bạc thu được có phạm vi ứng dụng rộng rãi.
1.2.1.3. Phương pháp xác định đặc tính AgNPs
Việc xác định các đặc tính của AgNPs sau khi tổng hợp như kích thước, hình dạng, phân bố kích thước, diện tích bề mặt, hình dạng, sự kết tụ… là rất cần thiết. Những đặc tính này quyết định đến tính chất hóa lý của hạt, có thể có tác động đáng kể đến tính chất sinh học và ứng dụng của AgNPs [50-54, 56, 63-65]. Phổ UV-Vis được sử dụng để xác nhận sự hình thành AgNPs thông qua sự cộng hưởng plasmon bề mặt. Những cộng hưởng này xuất phát từ sự dao động đồng thời của các electron dẫn trên bề mặt do trường điện từ. Tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano kim loại phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt. XRD (X-Ray Diffraction) thường dùng để xác định cấu trúc và hình thái tinh thể. DLS (Dynamic light scattering) được sử dụng để xác định kích thước hạt nano và xác định trạng thái kết tụ của chúng trong dung dịch huyền phù. FTIR (Fourier transformed Infrared spectroscopy) được sử dụng để xác định bản chất của các nhóm chức đặc trưng và đặc điểm cấu trúc của chiết xuất sinh học với hạt nano. SEM (Scanning Electron Microscope), TEM (Transmission Electron Microscopy), AFM (Atomic force microscopy) chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu hình thái của hạt nano. EDS (Energy dispersive spectroscopy) dùng để xác định thành phần nguyên tố. Đo điện trở suất của dung dịch nano nhằm đánh giá độ dẫn điện. Phương pháp nhiệt trọng (TGA/DTA) đánh giá tính chất nhiệt trọng của AgNPs cũng như hiệu suất của quá trình tổng hợp [50-54, 56, 63-65].
Tóm lại, việc xác định các đặc tính của hạt nano bạc tổng hợp được là rất quan trọng để đánh giá các đặc tính sinh học cũng như ứng dụng của hạt nano bạc tổng hợp được. Để xác định đặc tính hạt nano bạc thường sử dụng các kỹ thuật như UV- Vis, XRD, FTIR, XPS, DLS, SEM, TEM, AFM...
17
1.2.2. Tổng quan về tổng hợp nano bạc bằng phương pháp hoá học xanh sử dụng dịch chiết thực vật dụng dịch chiết thực vật
1.2.2.1. Tình hình trên thế giới
Tổng hợp AgNPs bằng phương pháp hoá học xanh sử dụng dịch chiết thực vật thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới vì có tính ưu việt hơn phương pháp hóa học thông thường như quy trình, thao tác thực hiện khá đơn giản, chi phí thấp và giảm được đáng kể các chất thải độc hại ra môi trường [63, 66- 68]. Các bộ phận khác nhau của thực vật như lá, vỏ, quả, hoa... đã được dùng để tổng hợp AgNPs và thu được AgNPs có hình dạng, kích thước khác nhau, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Bảng 1.3 tổng hợp một số loại thực vật đã được sử dụng để tổng hợp AgNPs và đặc tính của hạt nano bạc thu được [59, 69].
Bảng 1.3: Một số loại thực vật được dùng để tổng hợp AgNPs
TT Thực vật Chất khử sinh học Hình dạng Kích thước AgNPs (nm) Ứng dụng 1 Hoa nghệ tây (Saffron) Anthocyanin Hình cầu 15 Ứng dụng trong y sinh 2 Củ nghệ (Turmeric) Terpenoid và protein Hình cầu 18 Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp và y sinh 3 Cây vối rừng (S. cumini) Flavonoid Hình cầu 20-60 Chất kháng khuẩn trong dược phẩm, thực phẩm, mỹ phẩm...
4 Quả dưa chuột (Cucumis sativus) Phenol Lập phương , lục giác 15 Để chữa lành vết thương và các ứng dụng y tế, điện tử 5 Vỏ cây óc chó (Juglans regia) Protein Hình cầu 10-30 Chất kháng khuẩn 6 Lá bạch đàn (Acalypha indica) Quercetin Hình cầu 20-30 Xử lý nước thải, khử trùng nước uống 7 Lá quả na (Annona squamosa) Phenolic Hình cầu 52 Ứng dụng trong lĩnh vực y học 8 Lá bồ công anh (Taraxacum officinale) Flavonoid, terpenoid, triterpene Hình cầu 15 Điều trị bệnh 9 Lá hoa hồng (Rosa indica) Polyphenol Hình cầu 1-100 Ứng dụng trong lĩnh vực y học