Như trên phần phổ hấp thụ (Hình 3.1) đã trình bày, khi thời gian chiếu LED tăng làm xuất hiện các dao động của tứ cực ưu tiên dẫn đến hạt mầm AgNPs phát triển dị hướng và tạo thành các đĩa nano dẹt dạng tam giác. Trên cơ sở lý thuyết này, để khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiếu LED lên sự phát triển của các hạt AgNPs, chúng tôi lựa chọn phương pháp phổ hấp thụ plasmon để nghiên cứu. Hình 3.4 cho thấy sự phụ thuộc của phổ hấp thụ plasmon vào thời gian chiếu LED (công suất 0,51 mW/cm2) ở pH=8,5. Trên Hình 3.4 a cho thấy có sự xuất hiện thêm các đỉnh phổ hấp thụ plasmon khi được chiếu LED so với mẫu mầm không được chiếu (chỉ có một đỉnh). Ở vị trí đỉnh phổ 404 nm cho thấy, cường độ hấp thụ của 2 mẫu 0,5h và 1h chiếu LED tăng lên so với mầm. Điều này chứng tỏ sự hình thành các hạt dạng mầm vẫn được diễn ra dưới kích thích của photon, đồng thời cũng hình thành thêm các hạt AgNPs dạng đĩa (hoặc tựa cầu) vì trên phổ có xuất hiện thêm một đỉnh plasmon (nhú nhỏ) ở bước sóng 331 nm và đỉnh thứ 3 ở 602,4 nm và 619 nm (xem bảng 3.1). Đây là một hiện tượng mới được phát hiện trong đề tài này so với các công bố trước [29]. Tuy nhiên, đối với các mẫu có thời gian chiếu LED dài hơn (từ 1,5h đến 5h) thì cường độ hấp thụ plasmon ở 404 nm có xu hướng giảm đều theo thời gian phản ứng. Quan sát này cho thấy, các AgNPs dạng cầu chuyển sang dạng đĩa dẹt chậm theo quá trình phản ứng quang hóa. Kết quả này phù hợp với công bố của Lee và cộng sự năm 2014. Ở vị trí đỉnh phổ thứ 3 (phía sóng dài) của các mẫu được chiếu LED đều có xu hướng dịch về phía sóng dài và cường độ tăng hấp thụ tăng (thể hiện chi tiết trong Hình 3.4 b và c và Bảng 3.1). Điều này chứng tỏ, sự hình thành các hạt nano bạc dạng đĩa dẹt càng được tăng cường, kích thước tăng và hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Mie. Trong khi
Điều này là do bề dày của đĩa tăng theo thời gian chiếu sáng hay thời gian kích thích dao động tứ cực tăng.
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED (công suất 0,51 mW/cm2) lên sự
phát triển của mẫu AgNPs có pH=8,5. (a)- Phổ hấp thụ của mầm và của 11 mẫu khi tăng dần thời gian chiếu LED (0,5h; 1h; 1,5h; 2h; 2,5h; 3h; 3,5h; 4h; 5h; 36h và 76h). (b)- Vị trí các đỉnh phổ cực đại thay đổi theo thời gian chiếu LED.
(c) – Phần phóng to của vị trí các cực đại phổ hấp thụ plasmon phụ thuộc vào thời gian chiếu LED trong khoảng 0-5h. (d)- Ảnh chụp kỹ thuật số mầu sắc của
các dung dịch chứa các AgNPs theo thời gian chiếu LED.
Đặc biệt hơn, đối với hai mẫu được chiếu LED thời gian 36h và 76h thì đỉnh phổ ở vị trí 404 nm bị mất hoàn toàn. Thay vào đó, chúng xuất hiện thêm đỉnh phổ hấp thụ plasmon ở bước sóng 834 và 835 nm. Đây chính là sự hình thành của các đĩa dẹt dạng tam giác cụt như đã trình bày ở phần trên. Trong thời gian chiếu dài này thì các dao động của các tứ cực tăng mạnh và kích thước của các
này. Hình 3.4 d là ảnh chụp kỹ thuật số của các mẫu sau khi chiếu sáng đến 5h. Theo thời gian chiếu sáng, màu sắc của dung dịch chứa các hạt AgNPs thay đổi tương ứng. Khi thời gian chiếu dài thì mầu xanh lục đậm hơn. Hiện tượng này được giải thích theo lý thuyết Mie và Gans về mầu sắc của các hạt nano kim loại quý phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt.
Bảng 3.1: Cực đại hấp thụ plasmon của mầm và của các hạt nano bạc được
chiếu LED theo thời gian
Mẫu Mầm Mẫu được chiếu LED
Thời gian chiếu LED 0h 0,5h 1 h 1,5h 2h 2,5h 3h 3,5h 4h 5h 36h 76h λmax1 (nm) 331 331 331 331 331 331 331 331 331 331 331 λmax2 (nm) 404,5 404,5 404,5 404,5 404,5 404,5 404,5 404,5 404,5 404,5 λmax3 (nm) 602,4 619,7 620,6 635 639 649 656 658 665 679 683 λmax4 (nm) 805 835 834 3.4.2. Ảnh hưởng của độ pH
Tham số thứ 2 có ảnh hưởng đến sự hình thành các AgNPs là độ pH của môi trường chứa hạt. Cách thay đổi pH của môi trường chứa hạt được điều khiển ngay từ khi tạo mầm và được trình bày trong Chương 2.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH, phương pháp phổ hấp thụ plasmon được lựa chọn để phân tích tính chất quang của các hạt AgNPs. Hình 3.5 thể hiện phổ hấp thụ plasmon của các mầm ở các pH khác nhau: pH=6; 7,4; 8,5; 9,4. Chúng ta thấy rằng, vị trí cực đại hấp thụ đối với 4 mẫu ứng với các pH khác nhau đều ở bước sóng khoảng 402 nm. Riêng mẫu với pH=6 có cực đại hấp thụ dịch về sóng ngắn hơn (398 nm), chứng tỏ rằng các hạt nano mầm được tạo thành có kích thước nhỏ hơn so với 3 mầm còn lại.
Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH lên phổ hấp thụ plasmon của các AgNPs. (a)-
pH=6; (b)-pH=7,4; (c)-pH=8,5 và (d)-pH=9,4.
Giai đoạn tiếp theo, các mầm này được phát triển thành hạt có dạng tam giác nhờ chiếu sáng của đèn LED với cùng điều kiện (công suất, nhiệt độ). Các kết quả khảo sát được trình bày trong Hình 3.6 và Hình 3.7 về phổ hấp thụ plasmon. Hình 3.6 là phổ hấp thụ của các dung dịch hạt AgNPs ở các pH =6; 7,4; 8,5 và 9,4 thay đổi theo thời gian chiếu. Đối với các mẫu pH=6 và pH=7,4 cho
thấy rằng khi thời gian chiếu LED tăng đến 3h thì đỉnh phổ thứ 3 (ứng với dao động của tứ cực) ở bước sóng 652 nm dịch về phía sóng dài, sau đó tiếp tục chiếu đến 14,5h thì cực đại hấp thụ này lại dịch về phía sóng ngắn hơn đồng thời hình thành thêm cực đại hấp thụ ở 980 nm. Đây chính là thời gian mà các tam giác cụt góc được hình thành và đã được phân tích trong phần trên.
Đối với các mẫu có pH =8,5 và pH=9,4 hiện tượng phát triển hạt khi mầm được chiếu sáng diễn ra giống nhau. Các cực đại plasmon ở cùng sóng dài đều có xu hướng dịch đỏ và xuất hiện thêm đỉnh phổ hấp thụ mới ở vùng hồng ngoại gần khi thời gian chiếu LED đến 5h và lâu hơn.
Trên Hình 3.7 biểu diễn sự ảnh hưởng của pH lên mẫu thông qua nghiên cứu phổ hấp thụ plasmon ở các thời gian chiếu LED 1h; 2h; 4h và 5h. Đối với thời gian chiếu LED là 1h và 2h các mẫu có pH=9 cho cường độ hấp thụ mạnh ở bước sóng 403 nm và cường độ phía sóng ài thấp hơn so với các mẫu pH khác còn lại. Các mẫu có pH=6 và pH=7,4 thì cường độ đỉnh phổ ở sóng dài lớn hơn. Điều này chứng tỏ sự hình thành các hạt nano dạng đĩa ở pH thấp hơn sẽ nhanh hơn ở môi trường pH cao. Tuy nhiên, khi chiếu sáng dài hơn đến 4h và 5h trở lên thì các mẫu có pH=6 và pH=7,4 có sự hình thành đỉnh phía sóng dài nhanh và đây cũng chính là sự hình thành các dạng tam giác cụt. Kết quả quan sát này còn chứng tỏ rằng, khi thời gian chiếu sáng dài với độ pH thấp thì các dao động tứ cực được ưu tiên mạnh hơn và chiếm ưu thế. Như vậy, qua nghiên cứu sự thay đổi phổ hấp thụ plasmon lên các mẫu có độ pH khác nhau cho thấy có sự ảnh hưởng rõ dệt lên sự hình thành các hạt nano bạc dị dướng. Đâu cũng là một tham số quan trọng cần nghiên cứu chi tiết hơn. Đối với các hạt nano kim loại nói chung và nano bạc nói riêng thì môi trường chứa hạt nano có ảnh hưởng mạnh lên tính chất quang của hạt. Do đó, qua nghiên cứu này cho thấy độ pH của môi trường đã đóng góp sự ảnh hưởng đáng kể lên sự hình thành các cấu trúc nano bạc dị hướng.
Hình 3.7. So sánh phổ hấp thụ plasmon của các mẫu có pH khác nhau ứng với thời gian chiếu sáng khác nhau. (a)- 1h; (b)- 2h; (c)- 4h và (d)-5h.
3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4
Trong phần này, luận văn sẽ trình bày sự ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4 lên sự tạo thành mầm. Các tỷ lệ [NaBH4]:[AgNO3] được chọn nghiên cứu là: 5:1; 5:2; :5:3; 5:4 và 5:5. Sở dĩ cần thiết phải nghiên cứu nồng độ chất khử vì khi nồng chất khử tăng thì tăng khả năng tạo thành Ag0, điều đó dẫn tới kích thước của hạt AgNPs sẽ thành đổi. Trong giới hạn của luận văn này, đề tài sẽ dùng phổ hấp thụ plasmon để khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 lên sự hình thành các hạt nano mầm. Từ đó ảnh hưởng lên sự hình thành các hạt nano đĩa dạng tam giác. Hình 3.8 là phổ hấp thụ plasmon của các mẫu mầm với các tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3] khác nhau. Kết quả trên Hình 3.8 cho thấy rằng, đối với các mẫu có tỷ lệ [NaBH4]:[AgNO3]=5:1 và 5:2 có độ hấp thụ cao nhất (có OD~1) cực đại hấp thụ ở 401 nm, chứng có các hạt mầm có dạng cầu và kích thước khá đồng
5:4 và 5:5 có cực đại hấp thụ dịch về phía sóng dài hơn và có độ bán rộng phổ lớn hơn. Điều này chứng tỏ các hạt mầm được tạo thành có kích thước lớn hơn. Kết quả này có thể được giải thích là: khi lượng ion bạc tăng thì lượng chất khử cần thiết để khử Ag+ thành Ag0 nhỏ hơn khi lượng AgNO3 giảm. Do đó, các hạt AgNPs mầm được tạo thành có kích thước lớn hơn.
Hình 3.8. Phổ hấp thụ của các hạt AgNPs mầm với các tỷ lệ [NaBH4]:[AgNO3]
thay đổi: 5:1; 5:2; 5:3; 5:4 và 5:5.
Tiếp đến, các mầm này được chiếu sáng theo thời gian chiếu khác nhau và kết quả được khảo sát bằng phổ hấp thụ plasmon trên Hình 3.9. Hình 3.9 thể hiện phổ hấp thụ plasmon của các mẫu với các tỷ lệ nồng độ khác nhau với các thời gian chiếu sáng có cùng công suất LED là 1h; 2h 3h và 4h. Quan sát phổ hấp thụ plasmon cho thấy, đối với mẫu được chiếu LED trong thời gian 1h hầu hết vị trí đỉnh phổ ở bước sóng 401 nm không có sự thay đổi. Cường độ phổ giảm dần khi tăng nòng độ Ag+. Riêng đối với mẫu có tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3]=5:5 trong thời gian này đã bắt đầu có sự hình thành đỉnh phổ thứ 2 ở bước sóng 550 nm, chứng tỏ có sự hình thành cấu trúc nano bạc dị hướng trong khi các mẫu còn lại vẫn có dạng tựa cầu. Nếu tiếp tục chiếu sáng, các mẫu này nhận được năng lượng photon chiếu tới càng tăng thì sự hình thành các hạt nano dị hướng tăng theo và đỉnh phổ ở phía sóng dài dần xuất hiện (quan sát trên Hình 3.9b) và mầu sắc dung dịch biến đổi tương ứng. Quan sát phổ hấp thụ trên Hình 3.9c và 3.9d
[NaBH4]:[AgNO3]=5:5 theo thời gian chiếu sáng luôn có tốc độ hình hành cấu trúc dị hướng lớn nhất so với các mẫu còn lại. Do đó, ở tỷ lệ nồng độ này nên được dùng để chế tạo các hạt nano bạc có hình dạng khác nhau.
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử lên phổ hấp thụ plasmon của các
AgNPs ở các thời gian chiếu LED khác nhau. (a)- 1h; (b)- 2h; (c)- 3h và (d)-4h.
3.5. Thử nghiệm về tính kháng khuẩn
Như trên đã trình bày mục tiêu của đề tài đặt ra là chế tạo các hạt nano bạc để nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn, do đó các mẫu sau khi chế tạo được thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn đối với một số loại khuẩn. Kết quả cho thấy, chỉ có các AgNPs mầm là có hoạt tính kháng khuẩn đối với chủng khuẩn Salmonella
và E. coli trong khi các đĩa nano bạc dạng tam giác thì không có hoạt tính. Các hạt keo mầm AgNPs đã ức chế một vùng rộng đối với chủng vi khuẩn Salmonella
gây bệnh ở nồng độ thử nghiệm 100μl/giếng. Vùng kháng khuẩn của các mẫu với
và 22 mm, trong khi đối với khuẩn E. coli vùng kháng khuẩn chưa được rõ ràng hoàn toàn. Với khuẩn E. coli kết quả cho thấy vùng kháng khuẩn cho 2 nồng đồng này tương ứng là 11 mm và 10 mm. Điều đó chứng tỏ các mầm AgNPs đã sản sinh được các ion Ag+ hấp phụ trên bề mặt của hạt nano do đó mà ức chế được vi khuẩn.Bên cạnh đó, kết quả này cũng đã được đối chứng với kháng sinh penicillin (0.862 mg/giếng) có độ rộng vùng ức chế tương ứng 45 mm. Tuy đề tài này chưa tìm thấy hoạt tính kháng khuẩn của các đĩa nano bạc, nhưng chắc chắn rằng với các hạt nano kim loại có các góc cạnh như dạng đĩa tam giác sẽ cho nhiều ứng dụng khác. Đặc biệt là trong tăng trưởng tán xạ Raman bề mặt (SERS). Để nghiên cứu ứng dụng này cần có nhiều thời gian hơn, vậy nên đây cũng là một hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài này.
Hình 3.10. Thử kháng khuẩn của các mầm AgNPs đối với vi khuẩn Salmonella
và khuẩn E. coli. (a) - mẫu mầm AgNPs với tỷ lệ nồng độ
[NaBH4]:[AgNO3]=5:4 và [NaBH4]:[AgNO3]=5:5, KS là kháng sinh penicillin làm đối chứng. (b) – Mẫu mầm AgNPs với tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3]=5:4
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
KẾT LUẬN
Luận văn đã tập trung vào chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu và các dạng khác nhau; đã nghiên cứu các tính chất quang của chúng và thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn Salmonella và E. coli. Đề tài đã đạt được một số kết quả mới và lý thú, cụ thể:
- Chế tạo thành công các hạt nano bạc dạng cầu có kích thước chủ yếu khoảng 14 nm. Đây cũng là hạt nano để làm mầm và phát triển thành dạng nano khác (đĩa tam giác, đĩa tam giác cụt, lục giác,..).
- Khảo sát các tính chất quang của các hạt nano bạc chế tạo được. Kết quả cho thấy, phổ hấp thụ plasmon đối với các hạt nano dạng đĩa có xuất hiện 3 cực đại trong khi các hạt AgNPs dạng cầu chỉ có 1 cực đại. Đây là do sự dao động của các lưỡng cực của trường điện từ và tứ cực tương ứng. Các kết quả từ phổ hấp thụ plasmon cho các nano bạc có hình dạng khác nhau thu được phù hợp với lý thuyết Mie và lý thuyết Gans.
- Cấu trúc của các đĩa nano bạc được chế tạo bằng phương pháp chiếu ánh sáng LED không thay đổi so với mẫu nano bạc dạng cầu (mầm), tuy nhiên cũng có sự biến đổi ở góc 2 theta tương ứng với hai mặt (220) và (311). Đây có thể là hiện tượng méo mạng do ảnh hưởng của nhiệt sinh ra bởi sự hấp thụ photon của đèn LED dẫn đến làm biến dạng dao động mạng tinh thể.
- Đã khảo sát các tham số công nghệ ảnh hưởng lên chất lượng mẫu. Từ đó khảo sát các tính chất quang tương ứng.
- Đã thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của các hạt AgNPs sau khi chế tạo. Kết quả cho thấy chỉ có các hạt AgNPs mầm mới có hoạt tính kháng khuẩn đối với chủng khuẩn Salmonella và E. coli. Đây cũng là mục tiêu đặt ra của đề tài.
Tuy các đĩa tam giác nano bạc chưa có hoạt tính kháng khuẩn, nhưng nó chứa đựng rất nhiều tính chất quang lý thú và các khả năng ứng dụng. Do đó, hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài có thể là:
- Nghiên cứu chi tiết và có hệ thống về công nghệ chế tạo các hạt nano bạc đa hình dạng. Từ đó tìm ra các tham số công nghệ tối ưu để chế tạo được các AgNPs có kích thước và hình dạng mong muốn
- Nghiên cứu các khả năng ứng dụng của các AgNPs dạng đĩa dẹt, nhất là ứng dụng trong tăng trưởng tán xạ Raman bề mặt, hay hiệu ứng quang nhiệt,..
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N. Dagalakis, J. Flink, P. Stasikelis, J. F. Burke, and I. V Yannas, “Design of an artificial skin. 3. Control of pore structure ,” J. Biomed. Mater. Res., vol. 14, no. 4, pp. 511–528, 1980.
[2] Kenneth J. Klabunde, “Nanoscale Materials in Chemistry“, 2001, pp. 121
[3] P. V. Tiến, “Tính chất quang của các hạt nano vàng dùng trong đánh dấu sinh học” Khoá luận tốt nghiệp vật lí kỹ thuật, 2007.
[4] Sondi I. and Salopek-Sondi B. (2004) "Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria," Journal of Colloid and Interface Science ,Vol. 275, pp. 177-182.