7. Cấu trúc luận văn
1.4.5. Ứng dụng của nano bạc
a. Trong các thiết bị gia dụng
Ứng dụng các phân tử bạc để khử khuẩn trong đồ dùng gia đình đang được nhiều hãng sản xuất lựa chọn do đảm bảo được sự an toàn về sức khoẻ[31].
Hiện nay, tính năng khử khuẩn bằng phân tử bạc đã được ứng dụng vào nhiều loại thiết bị gia dụng như điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, máy giặt... và một số dụng cụ đựng thực phẩm như bình sữa trẻ em, bát đĩa, máy khử độc hoa quả…
Dù việc sử dụng những thiết bị gia dụng ứng dụng các loại công nghệ diệt khuẩn đang trở thành “mốt” trong thời buổi ô nhiễm như hiện nay, nhưng nhiều người vẫn lo ngại liệu công nghệ này có ảnh hưởng tới sức khỏe về lâu dài hay không?
Đã có một số cảnh báo cho rằng các phân tử có kích cỡ nano rất dễ bị phá vỡ cấu trúc, xâm nhập vào màng tế bào gây nên những biến đổi sinh lí khó lường.
Tuy nhiên, tính năng diệt khuẩn bằng công nghệ nano bạc được các chuyên gia đầu ngành tại viện nghiên cứu khoa học Vật lí và viện Dinh
Dưỡng khẳng định là không ảnh hưởng tới thực phẩm, sức khỏe và không phải là chất chất độc hại đối với da hay hệ hô hấp của con người.
Hình 1.8. Ngày càng nhiều thiết ị gia dụng sử dụng công nghệ Nano Silver để diệt khu n[31]
Ion bạc sử dụng cho dụng cụ đựng thực phẩm chỉ là một lớp tráng các phân tử bạc mỏng trên bề mặt của đồ dùng. Lớp bạc này sẽ chống lại sự xâm nhập và tiêu diệt các loại vi khuẩn.
Đối với các thiết bị gia dụng lớn như máy giặt và máy khử độc thực phẩm thường sử dụng những thanh bạc lớn nguyên chất, có khu vực để riêng biệt và được điện phân dung dịch thành hàng tỉ các ion bạc mỗi lần giặt hoặc xả.
Chúng sẽ theo dòng nước bám vào các bề mặt thực phẩm hay vải vóc để vi khuẩn hoặc nấm mốc, ngăn ngừa sự xâm nhập trở lại sau nhiều ngày. Những thanh bạc này có tuổi thọ lên đến 10 năm sử dụng liên tục.
Hình 1.9. Minh họa sự hoạt đ ng của các ion ạc, ngăn ngừa sự phát triển của các vi khu n[28]
Với tủ lạnh và điều hòa, máy lọc không khí, nguyên lí hoạt động của công nghệ phân tử bạc là như nhau vì các ion bạc không được điện phân ra ngoài như trong máy giặt mà chúng được khử trực tiếp khi không khí bị hút vào hệ thống lọc này. Hệ thống lọc sẽ không cho phép các ion bạc được thoát ra ngoài môi trường, chúng làm nhiệm vụ cô lập những phân tử bụi và vi khuẩn đi theo không khí vào trong, trả lại môi trường (tủ lạnh hay căn phòng) một làn không khí trong lành, có lợi cho sức khỏe hoặc giúp thực phẩm tươi ngon hơn.
Ngoài ra thì một số dòng tủ lạnh không sử dụng hệ thống lọc khí khử khuẩn, mà dùng những lớp tráng ion bạc trực tiếp lên bề mặt bên trong tủ, cũng có tác dụng diệt khuẩn khi vi khuẩn "va chạm" với các bề mặt đó [28].
b. Trong sản suất hàng tiêu dùng
Việc sản xuất các mặt hàng tiêu dùng bằng kim loại bạc nguyên chất hoặc phủ chúng bằng bạc là rất đắt. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, pha các nguyên liệu khác với hạt nano bạc là một phương pháp thích hợp để khai thác tính chất của bạc. Các hạt nano siêu nhỏ thể hiện các tính
chất khác biệt hoặc nổi bật hơn so với nguyên liệu dạng macro. Các hạt nano siêu nhỏ làm cho các hạt có diện tích bề mặt lớn cân đối với khối lượng của chúng. Trường hợp bạc ở dạng hạt nano, cho phép chúng tương tác dễ dàng với các hạt khác và tăng hiệu quả kháng khuẩn. Hiệu quả này lớn tới mức 1 gam hạt nano bạc có thể tạo tính chất kháng khuẩn tới hàng trăm mét vuông chất nền. Hiện nay, các sản phẩm làm bằng những hạt nano bạc đã được các cơ quan FDA, EPA của Mĩ, SIAA của Nhật Bản... chính thức phê chuẩn.
Tất cả vi khuẩn sử dụng enzyme như một lớp “phổi hóa học”[27] để chuyển hóa oxy. Các ion bạc phân hủy enzyme và ngăn chặn quá trình hút oxy. Tác động này làm chết tất cả các vi khuẩn, tiêu diệt chúng trong vòng 6 phút. Các vi rút phát triển bằng cách kí sinh trong tế bào sống khác và đưa vào nhân mới để tái tạo và nhân bản, còn tế bào sẽ bị bệnh. Các ion bạc còn ngăn oxy đưa vào tế bào sản sinh ra vi rút và chúng chết do nghẹt thở.
Thuốc kháng sinh có thể được dùng để tiêu diệt các mầm bệnh nhưng vi khuẩn và vi rút đang ngày càng trở nên kháng lại các điều trị bằng thuốc. Các hạt nano bạc tiêu diệt tất cả các bệnh nhiễm nấm, vi khuẩn và vi rút, kể cả các chủng kháng sinh. Ngoài ra, nghiên cứu còn chỉ ra rằng, vi khuẩn không thể phát triển bất kì khả năng miễn dịch nào đối với bạc. Bạc xuất hiện một cách tự nhiên, không độc, không dị ứng, không tích tụ và vô hại đối với cả động vật và môi trường.
Các nhà sản xuất đã sản xuất các hàng tiêu dùng sử dụng tính chất kháng khuẩn của các hạt nano bạc như tủ lạnh, điều hòa và máy giặt. Ngoài ra các loại đồ chơi, quần áo, hộp đựng thực phẩm, chất tẩy quần áo cũng đã sử dụng nano bạc. Một số ứng dụng tiềm năng khác của các hạt nano bạc cũng đang được xem xét áp dụng trong mô cấy sinh học, băng vết thương...
Hiện nay nano bạc còn ứng dụng sản xuất sợi nhân tạo dùng dệt vải, khăn quần áo có chức năng kháng khuẩn, chống hôi. Trong lĩnh vực hóa học polyme
để sản xuất PET, PP, PA, các hạt nhựa sẽ được trộn chung vào các hạt nhựa không chứa nano bạc khác trong quá trình sản xuất, kéo sợi. Nano bạc không chỉ tẩm, phủ lên bề mặt mà được đưa vào trong sản phẩm qua qui trình nóng chảy dùng sản xuất tấm ra trải giường, khăn lau chén, bát, thảm trải nền nhà, túi bọc tấm đệm giường, quần áo cũng như các sản phẩm vệ sinh khác như quần áo cho bệnh viện, quần áo bảo vệ, khẩu trang. Ngoài ra, nano bạc còn dùng trong các qui trình sản xuất khác như sản xuất nhựa nhiệt dẻo, quy trình phun ép các bộ phận, các bình chứa, chai hoặc ống nhựa dẫn chất lỏng, nước.
c. Trong công nghệ xử lí nước
Do bề mặt riêng khá lớn, hạt bạc có kích thước nano có hoạt tính khá cao trong vấn đề xử lí nước nhiễm khuẩn và đã được khá nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Tại Hoa Kì, cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu về tác dụng của ion bạc để khử trùng nguồn nước uống. Quá trình xử lí vi sinh bằng ion bạc thuận lợi hơn rất nhiều so với cách làm truyền thống. Người ta có thể xử lí triệt để nguồn nước bị nhiễm khuẩn ngay ở nồng độ ion bạc 10 ppb.
CHƢƠNG 2
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐIỀU CHẾ CHITOSAN HÒA TAN
2.1.1. Hóa chất thí nghiệm sử dụng
Các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu thuộc loại hóa chất tinh khiết, không cần qua tinh chế lại. Danh sách các hóa chất được sử dụng được thể hiện ở bảng 2.1.
Bảng 2.1. Danh sách các hóa ch t sử dụng nghiên cứu
Tên hóa chất Độ tinh khiết Xuất xứ
Bạc nitrat 0,01M Trung Quốc
Nước cất Cất 2 lần Việt Nam
Chitosan 71% Việt Nam
Axit axetic 96% Trung Quốc
Hydro peoxit 40% Trung Quốc
Natri hiđroxit 10% Trung Quốc
Etanol 96% Việt Nam
2.1.2. Dụng cụ
Cốc thủy tinh 50ml; Cốc thủy tinh100ml; Ống đong 50ml; Bình định mức 50ml ;
Bình định mức 100ml; Pipet 2ml;
Pipet 5ml; Pipet 10ml;
Máy khuấy từ gia nhiệt; Đũa khuấy; Nhiệt kế 100ºC; Giấy đo pH; Cân phân tích; Giấy lọc; Phễu lọc; Phễu buchner; Giấy nhôm; Máy sấy. 2.1.3. Quy trình điều chế WSC
Chitosan sử dụng trong nghiên cứu được mua từ Công ty TNHH MTV Chitosan Việt Nam có DDA = 81,3%, hàm lượng khoảng 1,57%. Phản ứng điều chế chitosan hoà tan được thực hiện bằng cách sử dụng H2O2 để cắt mạch chitosan. Phản ứng cắt mạch làm giảm khối lượng phân tử của chitosan, nên chitosan có khả năng hòa tan dễ dàng hơn trong môi trường nước. Quá trình điều chế WSC được tiến hành theo sơ đồ trình bày ở sơ đồ 2.1.
Sơ đồ 2.1. Tổng h p WSC từ chitosan và dung dịch H2O2
Lấy 1gam chitosan cho vào cốc thủy tinh, thêm 20 ml dung dịch axit axetic 2%, khuấy qua đêm đến khi hòa tan hoàn toàn. Thêm chính xác mộtlượng dung dịch H2O2 (4 – 6%), hỗn hợp được khuấy trên máy khuấy từ
1.Trunghòa bằng dung dịch NaOH 10% 2. Lọc bỏ kết tủa
3. Thêm 2 phần thể tích cồn tuyệt đối
2. Khuấy từ trong 2-4 giờ, ở 20-40ºC
2. Khuấy
1. Sấy qua đêm ở 50ºC (hoặc loại dung môi bằng cô quay chân không)
2. Lọc lấy kết tủa, sấy ở nhiệt độ phòng
2. Khuấy từ trong 2-4 giờ, ở 20-40ºC
2. Khuấy 1 gam chitosan Dung dịch chitosan Chitosan đã cắt mạch Thu hồi WSC 1. 20 ml dung dịch CH3COOH 2% 2. Khuấy qua đêm cho đến tan hòa toàn
1. Dung dịch H2O2 (4-6%)
2. Khuấy từ trong 3-7 giờ, ở 30-70ºC
2. Khuấy từ trong 2-4 giờ, ở 20-40ºC
2. Khuấy
Dung dịch chứa chitosan hòa tan
trong khoảng thời gian nghiên cứu (3–7 giờ) ở nhiệt độ khảo sát (30oC – 70ºC). Hỗn hợp sau phản ứng được trung hòa bằng dung dịch NaOH loãng đến pH = 7. Lọc, loại bỏ phần chitosan và tạp chất (nếu có) không hòa tan, thu phần dịch lọc. Thêm 2 phần thể tích cồn tuyệt đối vào dịch lọc, ủ trong khoảng thời gian xác định thể thu lấy tinh thể chitosan rắn hòa tan kết tinh, sấy qua đêm ở 50ºC, phần WSC sau khi đem sấy sẽ nổi lên trên. Lọc lại một lần nữa, thu phần kết tủa, làm khô ở nhiệt độ.
Hiệu suất tạo WSC: H% Soá gamWSC x100%
Soá gam chitosan
2.2. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO AgNP/WSC 2.2.1. Hóa chất thí nghiệm sử dụng 2.2.1. Hóa chất thí nghiệm sử dụng
Các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu thuộc loại hóa chất tinh khiết, không cần qua tinh chế lại.
AgNO3 xuất xứ Trung Quốc
Chitosan hòa tan đã điều chế trên
Glutaraldehyde xuất xứ Trung Quốc
Nước cất 2 lần
2.2.2. Quy trình tổng hợp dung dịch keo và màng AgNP/Chitosan hòa tan
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chế AgNP, nhưng nhìn chung phương pháp phổ biến là khử ion bạc về bạc và tập hợp thành AgNP. Với mục tiêu ứng dụng màng AgNP-WSC cho mục đích y tế, nên sản phẩm đòi hỏi phải an toàn, không gây tác dụng phụ. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng chitosan hòa tan vừa là chất khử, vừa là nền phân tán cho sản phẩm AgNP tạo thành.
Quá trình tổng hợp dung dịch keo AgNP-WSC có nồng độ AgNP ước tính 100 ppm (tính theo ion bạc) được tiến hành như sau:
- Cho vào lọ phản ứng 9 ml dung dịch WSC 1%, thêm tiếp từ từ 1ml dung dịch AgNO310mM. Hỗn hợp được khuấy đều trên máy khuấy từ với tốc
độ 200 vòng/phút ở nhiệt độ và thời gian khảo sát. Màu hỗn hợp phản ứng chuyển dần từ không màu sang vàng đậm đến nâu sẫm, chứng tỏ có sự hình thành AgNP. Dung dịch keo AgNP-WSC được để nguội đến nhiệt độ phòng, lưu giữ ở 4o
C để thực hiện các bước khảo sát các đặc trưng vật lí, hóa học, sinh học tiếp theo.
- Tối ưu quá trình tổng hợp dung dịch keo AgNP 100 ppm được thực hiện thông qua khảo sát ảnh hưởng của 3 yếu tố nhiệt độ phản ứng, pH dung dịch phản ứng và thời gian phản ứng.
a. Ảnh hưởng của thời gian
Phản ứng được tiến hành trong ở nhiệt độ tối ưu đã khảo sát ở trên trong khoảng thời gian phản ứng thay đổi từ 10 phút đến 90 phút ở pH trung tính. Tốc độ khuấy được giữ nguyên không đổi 200 vòng/phút trong suốt quá trình phản ứng.
b. Ảnh hưởng của pH
pH của dung dịch phản ứng được hiệu chỉnh bằng dung dịch H2SO4 loãng hoặc NaOH loãng trong khoảng nghiên cứu từ 5 đến 8. Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ và thời gian tối ưu đã khảo sát ở trên. Cũng cần lưu ý đảm bảo tốc độ khuấy được giữ nguyên không đổi 200 vòng/phút trong suốt quá trình phản ứng.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng điều chế AgNP được tiến hành tại pH trung tính sau 2 giờ phản ứng theo quy trình đã trình bày ở mục 2.2.2. Nhiệt độ phản ứng khảo sát được thay đổi từ 30oC – 70oC. Tốc độ khuấy được giữ nguyên không đổi 200 vòng/phút trong suốt quá trình phản ứng.
Màng AgNP-WSC được tạo ra bằng cách nhỏ dung dịch keo AgNP/WCS (có bổ sung thêm glutaraldehyde 0.01% để làm tác nhân khâu mạch) lên trên khuôn phẳng có phủ Teflon. Màng đươc đóng rắn ở nhiệt độ phòng, được làm khô qua đêm trong tủ sấy chân không ở 40oC.
2.3. PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƢNG VẬT LÍ, HÓA HỌC, SINH HỌC CỦA SẢN PHẨM AgNP/WSC
2.3.1. Đặc trƣng cộng hƣởng plasmon của hạt keo AgNP
Đo tín hiệu cộng hưởng plasmon bề mặt là phương pháp được sử dụng phổ biến để xác định đặc trưng về kích thước của hạt nano vàng, bạc bằng cách sử dụng phổ hấp thụ hoặc phản xạ trong vùng UV-Vis.
Bản chất của phổ hấp thụ không phải do sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng mà là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xuất hiện khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới. Đây là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha.
Theo tính toán của Mie[25], đối với các hạt hình cầu, vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản:
Hình dạng, kích thước của hạt nano.
Bản chất của vật liệu (phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu).
Môi trường xung quanh kim loại đó.
Như vậy, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt có xảy ra với các hạt keo AgNP. Hiện tượng này tạo nên màu sắc của dung dịch keo AgNP từ vàng nhạt đến nâu đen do có sự thay đổi nồng độ và kích thước hạt.
Phổ cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt AgNP được xác định bằng cách đo quang phổ hấp thụ UV-Vis trong khoảng bước sóng từ 350 - 800 nm. Mẫu đo được chuẩn bị bằng cách pha loãng dung dịch AgNP đã điều chế với nước cất 2 lần theo tỉ lệ thể tích AgNP : H2O = 1 : 2. Hỗn hợp được cho vào cuvet và ghi lại phổ trên máy đo quang phổ hấp thụ UV- Vis ở nhiệt độ phòng. Mẫu nền so sánh chính là dung dịch chitosan hòa tan có nồng độ tương đương với nồng độ WSC có trong mẫu đo.
2.3.2. Phân tích cấu trúc tinh thể của hạt keo AgNP
Cấu trúc tinh thể của vật liệu AgNP đã tổng hợp được xác định thông qua phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X. Phương pháp này cho phép xác định hằng số mạng và các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho các cấu trúc của vật liệu. Đối với kim loại, phương pháp này còn cho phép các xác định chính xác sự tồn tại của kim loại trong mẫu dựa trên các đỉnh nhiễu xạ thu được khi so sánh với các đỉnh nhiễu xạ chuẩn của nguyên tố đó[22].
Cấu trúc tinh thể của các hạt AgNP được xác định bằng nhiễu xạ tia X trên máy Bruker AXS D8 Advance. Dung d ịch keo AgNP-WSC được li tâm với tốc độ cao, thu lấy phần không tan, sấy khô, sau đó tiến hành đo nhiễu xạ tia X.
2.3.3. Phân tích xác định kích thƣớc và hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Hình dạng và kích thước của các hạt AgNP trong nền WSC được xác định thông qua chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) có độ phân giải cao trên máy JEOL JEM 1100 tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.