1 Tổng quan tài liệu Error! Bookmark not defined.
1.4.3 Phƣơng pháp polyol hỗ trợ bởi nhiệt vi sóng (hóa-lý kết hợp )
Lò vi sóng là một thiết bị gia nhiệt, nó cung cấp một nhiệt lƣợng ổn định và gia nhiệt đồng đều. Sử dụng lò vi sóng tiến hành khử ion Ag+ thành Ag0 theo qui trình polyol để tạo thành hạt bạc nano. Trong phƣơng pháp này muối bạc và chất khử êm dịu có tác dụng trợ giúp cho quá trình khử Ag+ về Ag0 nhƣ: C2H5OH, C2H4(OH)2 , C3H5(OH)3, HCHO… cũng nhƣ chất ổn định hạt bạc nano khi nó tạo thành. Dƣới tác dụng của vi sóng các phân tử có cực nhƣ các phân tử Ag+
và các chất trợ khử sẽ nóng lên rất nhanh, nhiệt cung cấp đều cho toàn dung dịch do vậy mà quá trình khử bạc sẽ diễn ra một cách nhanh chóng và êm dịu hơn các phƣơng pháp khác[2].
Gia nhiệt trong lò vi sóng là phƣơng pháp có ƣu thế hơn rất nhiều so với phƣơng pháp cơ bản khác. Bởi vì gia nhiệt trên một diện tích phẳng thì sẽ có những vị trí mà nhiệt độ trên bề mặt sẽ khác xa so với trong lòng dung dịch, đồng thời gia nhiệt trên các bề mặt sẽ dễ dẫn đến là nhiệt độ tại thành của thiết bị gia nhiệt cao
hơn rất nhiều so với nhiệt độ trung bình của dung dịch. Ngƣợc lại, gia nhiệt bằng vi sóng thì nhiệt sẽ đƣợc cung cấp trên toàn thiết bị gia nhiệt, và nhiệt độ của cả dung dịch cũng nhƣ thành thiết bị hầu nhƣ đều nhau và đây là yếu tố tới hạn để tạo ra các hạt bạc nano có kích thƣớc đồng đều nhau và nhỏ bé hơn nhiều so với phƣơng pháp gia nhiệt thông thƣờng. Bên cạnh đó, một ƣu điểm của phƣơng pháp này là thiết bị đơn giản và dễ sử dụng. Trong phƣơng pháp vi sóng chúng ta có thể tạo ra hạt bạc nano có kích thƣớc khoảng 10nm[2].
Đồ thị1.1Phổ UV-Vis của phương pháp gia nhiệt bằng lò vi sóng và phương pháp gia nhiệt thông thường
1.4.4 Phƣơng pháp sinh học
Để tổng hợp các hạt nano kim loại với hình dạng và kích thƣớc mong muốn, các phƣơng pháp vật lý và hóa học đã đƣợc xây dựng. Mặc dù các phƣơng pháp trên đã sản xuất thành công hạt nano, nhƣng chúng vẫn còn đắt tiền và sử dụng hoá chất độc hại. Vì vậy, các phƣơng pháp tổng hợp thân thiện với môi trƣờng ngày càng đƣợc quan tâm phát triển. Phƣơng pháp sinh học sử dụng các tác nhân nhƣ nấm, vi khuẩn, virus và tảo có khả năng khử ion bạc tạo nguyên tử bạc kim loại. Mục tiêu các phƣơng pháp này nhắm đến là đạt hiệu quả về chi phí, tổng hợp các hạt nano kim loại khác nhau với độ ổn định cao, kích thƣớc và hình dạng đồng đều.
Sinh tổng hợp các hạt nano bằng vi sinh vật là một phƣơng pháp hóa học “xanh” kết nối giữa công nghệ nano và công nghệ sinh học vi sinh vật. Dù các hạt nano sinh tổng hợp ổn định khá tốt, tuy vậy, nhƣợc điểm lớn của phƣơng pháp sinh
tổng hợp hiện nay là kích thƣớc không đồng đều, tốc độ tổng hợp khá chậm (thƣờng trên 3 ngày[5],[7]), tốn nhiều công sức cho các công đoạn nuôi cấy và ly tâm để thu đủ lƣợng sinh khối thực hiện phản ứng, ngoài ra môi trƣờng phản ứng chỉ có muối bạc, thiếu dinh dƣỡng duy trì sức sống cho vi sinh, bên cạnh đó, khi nồng độ bạc nano sinh tổng hợp tăng dần sẽ xuất hiện tình trạng ức chế ngƣợc khiến vi sinh chết dần trong khi nồng độ bạc nano không cao. Để khắc phục những vấn đề này, phƣơng pháp nuôi cấy vi sinh vật và kỹ thuật thu nhận phải đƣợc tối ƣu hóa.
Cơ chế sinh hóa và cấu trúc các phân tử trung gian đang đƣợc nghiên cứu chi tiết để tăng tốc độ tổng hợp và cải thiện tính chất của các hạt nano. Tiềm năng ứng dụng các vi sinh vật nhƣ nhà máy tổng hợp hạt nano vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ do sự đa dạng sinh học các chủng quá lớn[20]. Hiện nay, các công bố chủ yếu tập trung ở 2 nhóm vi khuẩn và vi nấm.
Dựa vào vị trí của các phân tử bạc nano đƣợc tổng hợp mà ngƣời ta chia quá trình tổng hợp sinh học thành hai dạng:
- Tổng hợp nội bào: sản phẩm tạo ra nằm bên trong tế bào.
- Tổng hợp ngoại bào: sản phẩm đƣợc tạo ra nằm bên ngoài tế bào vi sinh vật. So với tổng hợp nội bào, thì hƣớng sinh tổng hợp ngoại bào có nhiều lợi thế hơn vì có thể thu lấy hạt bạc dễ dàng từ môi trƣờng phản ứng.
Bạc là kim loại gây độc đối với rất nhiều loài vi sinh. Tuy nhiên, tự nhiên cũng phát triển cơ chế để kháng lại nguyên tố này. Vi khuẩn đề kháng với kim loại nặng độc hại nhờ khả năng khử độc và các bơm ion đẩy ion độc ra khỏi tế bào chínhlà các protein nằm trên màng có khả năng vận chuyển cation ngƣợc chiều nồng độ. Khả năng thay đổi tính tan ion kim loại độc cũng đóng một vai trò trong việc kháng độc.Vì vậy, hệ thống vi sinh vật có thể giải độc các ion kim loại bằng cách kết tủa các ion vô cơ hòa tan độc hại thành cáccụm nano kim loại không hòa tan và không hại. Quá trình khử độc ở vi sinh vật có thể đƣợc thực hiện bằng cách gây tủa ngoại bào, tiết tác nhân sinh học tạo phức với ion ngoại bào, tạo phức, kết tủa hoặc tích lũy sinh học bên trong tế bào. Sinh tổng hợp ngoại bào các hạt nano kim loại có nhiều ứng dụng thƣơng mại trong các lĩnh vực khác nhau.
Một thách thức cần giải quyết của phƣơng pháp này là hiện tƣợng tạo hạt kích thƣớc không đồng đều. Do đómối quan tâm lớn hiện nay là cần tối ƣu hóa các điều kiện tạo kích thƣớc hạt đồng đềutrong quá trình sinh tổng hợp.Trong trƣờng hợp sản xuất nội bào, các hạt tích lũy có kích thƣớc cụ thể và tình trạng kích thƣớc không đồng đều íthơn [20].
Các ion Ag+ đƣợc vận chuyển vào trong tế bào vi khuẩn nhờ các kênh xuyên màng tế bào. Bên trong tế bào, các ion này bị kết tủa nhờ các tác nhân sinh học. Các tinh thể bạc nano có hình dạng đa giác, tam giác và lục giác với kích thƣớc tối đa 200 nm tại vùng chu chất (vùng giữa 2 màng tế bào) đã đƣợc tìm thấy ở vi khuẩn
Pseudomonas stutzeri AG259, một loại vi khuẩn phân lập từ mỏ bạc.Loài vi khuẩn
này cũng sản xuất một số lƣợng nhỏ các tinh thể α - silver sulfide acanthite (Ag2S).
Hình 1.9 Tinh thể bạc nano trong vi khuẩn Pseudomonasstutzeri AG259
Quá trình tạo phức bạc với tác nhân sinh học (biosorption) và khửAg+ bằng tác nhân sinh học (bioreduction)trên bề mặt tế bào cũng đã đƣợc báo cáo ởLactobacillus sp. A09 ở 30°C, pH 4,5 trong 24 giờ. Tƣơng tự nhƣ vậy, các tế bào
Corynebacterium sp. SH09 sản xuất các hạt bạc nano ở 60°C trong 72 h trên vách tế
bào ở kích thƣớc 10-15 nm với phức bạc diamine [Ag (NH3)2]+.
Nhìn chung, độc tính của bạc đƣợc khử bằng cách nhờcác protein vùng chu chất kết dính bạc và neo chúnglên bề mặt tế bào và nhờ các bơm gắn trên màng tế bào đẩy bạc ra khỏi tế bào. Các protein gắn bạc cung cấp nhóm chứcamino acid phục vụ nhƣ nhân tinh thể cho sự hình thành của các hạt bạc nano. Các peptide kết
tủa bạc (AG3 và AG4) đã đƣợc tìm thấy, có khả năng kết tủa bạc từ dung dịch nƣớc của các ion bạc và hình thànhtinh thể bạc có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt (fcc).
Cơ chế của quá trình tổng hợp bạc nano nội bào ở một số loài vi khuẩn nhƣ
B. licheniformis vẫn chƣa đƣợc xác định cụ thể. Nhƣng theo nhóm tác giả
Kalimuthu (2008) thì B. licheniformis có khả năng tổng hợp NADH và các enzyme phụ thuộc vào NADH ở bên trong tế bào của nó, trong đó quan trọng nhất là enzyme nitrate reductase. Enzym này có vai trò khử gốc NO3- và vận chuyển electron từ chất cho electron là NADH đến chất nhận là Ag+
để khử Ag+ thành Ag0[16].
Hình 1.10Cơ chế tổng hợp bạc nano ở vi khuẩn B.licheniformis [16]
ChủngBacillus sp. phân lập từ bầu khí quyển cũng đƣợc tìm thấy để khử ion Ag+thành Ag0. Loài vi khuẩn này tích lũy bạc kim loại kích thƣớc 5-15 nm trong các vùng giữa vách và màng của tế bào. Một số vi khuẩn đã đƣợc báo cáo sản xuất nhiều hơn một loại hạt nano và hợp kim hai kim loại. Nair và Pradeep nhận thấy rằng Lactobacillus sp. trong bơ sữa sản xuất nano vàng, bạc, và các tinh thể hợp
kim vàng - bạc bên trong tế bào mà không gây ảnh hƣởng khả năng tồn tại của chúng. Tinh thể vàng đƣợc tìm thấy có kích thƣớc 20-50 nm hình dạng lục giác, hình tam giác và đôi khi tạo cụm 100 nm. Sinh tổng hợp nội bào các hạt nano vàng
và bạc bởi B. subtilis,vi khuẩn khử sulfate, ShewanellaalgaePediastrum boryanum, E. coli, Rhodobacter capsulatus, Lactobacillus sp.,Pseudomonas stutzeri, Corynebacterium sp., Bacillus sp. đã cho thấy hình dạng khác nhau nhƣ khối, lục
giác, cầu có kích thƣớc 5-200 nm [20].