5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3.2. Hạt nano bạc
a. Sơ lược về bạc kim loại
Cấu hình electron của bạc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1
Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm Bán kính ion bạc: 0,23 nm
Bảng 1.3 Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích. Kích thước của hạt nano bạc (nm) Số nguyên tử chứa trong đó 1 31 5 3.900 20 250.000
Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn, có những đặc tính độc đáo sau:
˗ Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi xa, chống tĩnh.
˗ Không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao, không có phụ gia hóa chất.
˗ Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như benzene, toluene).
˗ Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường.
˗ Chi phí cho quá trình sản xuất thấp.
b. Đặc tính kháng khuẩn của bạc
Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người.
Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh. Người cổ đại sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm. Trong thế kỷ 20, người ta thường đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và các hợp chất của bạc được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử trùng.
Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.
c. Cơ chế kháng khuẩn của bạc
Hình 1.7: Tác động của ion bạc lên vi khuẩn.
Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các ion Ag+. Ion này có khả năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên thành tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó, khả năng hoặt động của vi
khuẩn lại có thể được phục hồi. Do động vật không có thành tế bào, vì vậy chúng ta không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này.
Có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn đáng chú ý được mô tả như sau: Sau khi Ag+ tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn.
Hình 1.8: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn.
Ngoài ra các ion bạc còn có khả năng liên kết với các base của DNA và trung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA.
Hình 1.9: Ion bạc liên kết với các base của DNA. d. Giới thiệu về hạt nano bạc
Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Do có diện tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag+ hơn.
Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano.
e. Các phương pháp chế tạo hạt nano bạc
- Phương pháp ăn mòn laze: Phương pháp này sử dụng chùm tia laze với bướ
nano được tạo thành với kích thước khoảng 10 nm và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt.
- Phương pháp khử hóa học: Phương pháp này sử dụng các tác nhân hóa học để
khử ion kim loại thành kim loại. Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc bằng chất hoạt hóa bề mặt. Các hạt nano tạo thành bằng phương pháp này có kích thước từ 10 nm đến 100 nm.
- Phương pháp khử vật lý: Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện tử,
sóng điện từ năng lượng cao như tia gamm, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại.
- Phương pháp khử hóa lý: Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật lí.
Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano. Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch.
- Phương pháp khử sinh học: Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại. Người
ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc. Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn.
f. Các ứng dụng của nano bạc
Do thể hiện tính kháng khuẩn tốt nên nano bạc thường được sử dụng để làm chất khử trùng, kháng khuẩn, khử mùi… Có thể kể một vài sản phẩm chứa hạt nano bạc như:
˗ Các dụng cụ chứa thực phẩm: Những đồ dùng bằng nhựa có pha thêm hạt nano
Hình 1.10: Bình sữa làm bằng nhựa có pha thêm nano bạc.
˗ Đồ may mặc: hạt nano bạc được tẩm vào các loại sợi để diệt khuẩn và khử mùi.
Hình 1.11: Tất làm bằng sợi nilon có pha nano bạc.
Các thiết bị điện tử: Điều hòa, tủ lạnh, máy giặt
Hình 1.12: Điều hòa sử dụng bộ lọc nano bạc.
+ Khẩu trang nano bạc: Được thiết kế với 3-4 lớp gồm 2 lớp vải, một lớp vật liệu tẩm nano bạc và than hoạt tính ở giữa, loại khẩu trang này có khả năng diệt khuẩn, diệt virus, lọc không khí rất tốt. Lớp vải tẩm nano bạc có chức năng diệt vi khuẩn, virus, nấm bị giữ lại trên khẩu trang đồng thời có tác dụng khử mùi.
Hình 1.13: Khẩu trang nano bạc do viện môi trường sản xuất.
+ Màng hô hấp: Đó là một tấm màng mỏng có thể cho khí và hơi nước qua nhưng không thể cho chất lỏng đi qua, có vô số những lỗ khí nhỏ tồn tại trong tấm film. Các hạt nano bạc gần đây đã được kết hợp với film polyolefin với đặc tính kháng khuẩn rất tốt.
Hình 14: Ảnh SEM của các hạt nano bạc kết hợp với film polyolefin.
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu nghiên cứu
2.1.1. Hóa chất
Bạc nitrat (AgNO3) dạng tinh thể, Polyvinylalcohol (PVA), nước cất 2 lần được sử dụng xuyên suốt quá trình thực nghiệm, củ Sả được thu mua ở chợ Hòa Khánh - Đà Nẵng.
2.1.2. Trang thiết bị
Sử dụng các thiết bị có sẵn tại phòng thí nghiệm sau:
˗ Phòng thí nghiệm Hóa Lý, khoa Hóa Học, trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng.
˗ Phòng phân tích mẫu, khoa Hóa Học, trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng.
˗ Phòng đo UV – VIS, khoa Hóa Học, trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng.
Hình 2.2. Máy khuấy từ Hình 2.3. Máy đo UV – VIS
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Một vấn đề thiết yếu đối với dề tài này là xác định tính chất và đặc tính hạt nano bạc tạo thành. Bước đầu tiên là xác định các hạt nano bạc có được tạo thành sau quá trình tổng hợp hay không. Thêm vào đó, mô tả đặc điểm của chúng để khảo sát kích thước, hình dạng, số lượng cũng quan trọng. Một số thiết bị sử dụng xác định các tính chất lý – hóa của các vật liệu nano: kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), máy đo phổ tử ngoại khả kiến (UV – VIS), kính
hiển vi điện tử truyền qua (TEM), máy quét phổ hồng ngoại FTIR, … Trong phạm vi luận văn này, các phương pháp phổ UV – VIS, TEM và EDX được đề cập.
2.2.1. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV – VIS)
Hình 2.4: Sơ đồ mô phỏng cấu tạo máy đo UV – VIS.
Phương pháp này dung để xác định độ tinh khiets của một hợp chất, nhận biết cấu trúc các chất, phân tích hỗn hợp xác định khối lượng phân tử, dự đoán kích thước phân tử, .… Khi tiến hành đo phổ của các mẫu thì mỗi mẫu sẽ cho ta một dạng phổ có chiều cao đỉnh phổ xác định và đặc trưng cho dạng hợp chất đó. Từ kết quả đó ta sẽ xác định được sơ bộ rằng ta đã tạo ra dung dịch bạc nano và cũng dự đoán được kích thước hạt nano bạc.
Hình 2.5: Phổ chuẩn của các hạt nano bạc ứng với các đường kính khác nhau[8].
2.2.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
˗ Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là một công cụ rất mạnh trong việc nghiên cứu cấu trúc ở cấp độ nano. Nó cho phép quan sát chính xác cấu trúc nano với
độ phân giải lên đến 0,2 nm. Do đó, phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu vật liệu nano.
˗ TEM có thể dễ dàng đạt được độ phóng đại 400.000 lần với nhiều vật liệu, và với các nguyên tử nó có thể đạt được độ phóng đại tới 15 triệu lần. Dựa vào ảnh TEM chụp các phần tử nano bạc bằng kính hiển vi điện tử truyền qua xác định được kích thước và hình dáng của hạt nano tạo thành, đồng thời xem xét xem kích thước đó đảm bảo là tốt hay chưa để hoạch định quá trình điều chế nano bạc.
˗ Phương pháp dựa trên việc sử dụng chùm tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Chùm tia được tạo ra từ anot qua hai “tụ quang” điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử truyền qua. Các điện tử truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc rồi vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu.
˗ Các bước của ghi ảnh TEM: chiếu một chùm electron qua một vật mẫu, tín hiệu thu được sẽ được phóng to và chuyển lên màn huỳnh quang cho người sử dụng quan sát. Mẫu vật liệu chuẩn bị cho TEM phải mỏng để cho phép electron có thể xuyên qua giống như tia sáng có thể xuyên qua vật thể trong hiển vi quang học, do đó việc chuẩn bị mẫu sẽ quyết định tới chất lượng của ảnh TEM.
Một chùm electron được tạo ra từ nguồn cung cấp.
Chùm electron này được tập trung lại thành dòng electron hẹp bởi các thấu kính hội tụ điện từ.
Dòng electron đập vào mẫu và một phần sẽ xuyên qua mẫu.
Phần truyền qua sẽ được hội tụ bởi một thấu kính và hình thành ảnh. Ảnh được truyền từ thấu kính đến bộ phận phóng đại.
Cuối cùng tín hiệu tương tác với màn hình huỳnh quang và sinh ra ánh sáng cho phép người dùngquan sát được ảnh. Phần tối của ảnh đại diện cho vùng mẫu đã cản trở, chỉ cho một số ít electron xuyên qua (vùng mẫu dày hoặc có mật độ cao). Phần sáng của ảnh đại diện cho những vùng mẫu không cản trở, cho nhiều electron truyền qua (vùng này mỏng hoặc có mật độ thấp).
Hình 2.6: Nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua.
2.2.3. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
Phổ tán sắc năng lượng tia X, hay còn gọi là phổ tán sắc năng lượng là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (mà chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử). Trong các tài liệu khoa học, kỹ thuật này thường được viết tắt là EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng Anh: Energy-dispersive X-ray spectroscopy.
Kỹ thuật EDX chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó, ảnh vi cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử. Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley.
Có nghĩa là, tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này.
Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích được thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng lượng cao và được thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần
số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần[9].
Hình 2.7: Kính hiển vi điện tử quét JMS 5410 có kèm thêm phụ kiện EDX.
2.3. Thực nghiệm + dd AgNO3 + dd AgNO3 Nguyên liệu Chưng cất Nghiên cứu hạt nano bạc Định danh thành phần hóa học Dịch chiết tối ưu
Khảo sát tỉ lệ thể tích dịch chiết Đo TEM Tổng hợp hạt nano Bạc Đo UV – VIS
Khảo sát thời gian phản ứng
˗ Sả tươi được cắt bỏ phần rễ và lá, rửa sạch rồi đem phơi khô.
˗ Tiến hành chưng cất trong điều kiện tối ưu.
˗ Sau khi thu được tinh dầu thô thì làm khan bằng Na2SO4.
˗ Chuẩn bị dung dịch bạc nitrat: AgNO3 ở dạng muối tinh thể được pha với các nồng độ khảo sát 100ppm, 200ppm, 300ppm, 400ppm, 500ppm.
˗ Chất ổn định: Polyvinyl alcohol (PVA) được dung làm chất ổn định keo bạc với hàm lượng PVA sử dụng là 0,5%.
2.3.1. Xác định thành phần hóa học của tinh dầu Sả chanh bằng phương pháp sắc ký ghép khối phổ sắc ký ghép khối phổ
Thành phần hóa học của tinh dầu sả thu được sau khi ly trích bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước được phân tích bằng máy sắc ký khí ghép khối phổ(GC-MS) tại trường Đại học Huế.
Khảo sát nồng độ dung dịch AgNO3
Điều kiện phân tích: