nƣớc đã đƣợc pha trộn với Ag nano/SiO2
- Khảo sát ở điều kiện nhiệt độ thường nhiều hơi ẩm
Sơn nước có và không có Ag nano/SiO2 được sơn lên các tấm đan, cấy nấm
Aspergillus niger var Tieghn lên màng sơn. Các tấm đan đặt trong môi trường không khí có nhiều hơi ẩm, được tưới nước hằng ngày và quan sát theo thời gian.
- Khảo sát trong điều kiện phòng thí nghiệm
Sơn nước có và không có Ag nano/SiO2 được sơn lên vải PE, để khô sau 2 ngày và tiến hành thí nghiệm đánh giá khả năng ức chế nấm Aspergillus niger var
Tieghn của màng sơn có chứa Ag nano/SiO2 (nồng độ Ag nano 100 ppm) với số khuẩn lạc nấm trong dung dịch nước là 103 CFU/mL.
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Đặc trƣng phổ hấp thụ UV-Vis của Ag nano/SiO2 sau chiếu xạ
Hình 3.1: Phổ UV-Vis mẫu Ag nano/SiO2 với nồng độ Ag+ ban đầu 5mM theo liều xạ, a) 0 kGy, b) 4 kGy, c) 8 kGy, d) 12 kGy, e) 16 kGy, f) 20 kGy
Phổ hấp thụ UV-Vis (hình 3.1) của hệ phân tán Ag nano/SiO2 với nồng độ Ag+ ban đầu là 5 mM tại các liều xạ khác nhau cho thấy từ liều xạ 4 kGy phổ UV-Vis xuất hiện đỉnh hấp thụ đặc trưng max ~ 411 nm trong khi phổ trước chiếu xạ không có đỉnh hấp thụ đặc trưng này. Khi liều xạ tăng, OD tăng và max trong khoảng liều
xạ từ 4-20 kGy tương ứng là 408-426 nm. Như đã biết, bạc nano có đặc trưng bước sóng hấp thụ cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (max: 390-450 nm), max phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của cluster bạc nano tạo thành trong quá trình chiếu xạ [15, 36]. Vì vậy phổ hấp thụ trong hình 4 chứng tỏ bạc nano tạo thành trên nền SiO2.
Khảo sát liều chuyển hóa (Ag+ Ag0) bão hòa
Liều xạ chuyển hóa bão hòa (Dbh) là liều xạ cần để chuyển hoàn toàn Ag+ thành Ag0. Phổ hấp thụ sau chiếu xạ mẫu Agnano/SiO2 với nồng độ Ag+ 5 mM được trình bày trên hình 3.1. Khi liều xạ tăng, OD của bạc nano tăng đến liều xạ 12 kGy thì đạt giá trị ổn định (OD ~ 1,4). Như vậy, 12 kGy là liều xạ cần thiết để chuyển 5mM Ag+ thành Ag0 hay liều xạ 1 kGy có thể khử hoàn toàn 0,42 mM Ag+ trong hệ phân tán silica thành Ag0. Kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây cho thấy, hiệu suất tạo gốc khử (e-aq, H, CH3
CHOH) là 6/100eV tương ứng với
liều xạ 1 kGy có thể khử hoàn toàn 0,57 mM Ag+ [16]. Theo Ramnani và cộng sự [36], để khử hoàn toàn 0,5 mM Ag+ thành bạc nguyên tử cần liều xạ là 0,9 kGy. Trong khi đó, công trình nghiên cứu của A. Sárkány và cộng sự [39], cần liều xạ 8 kGy để khử hoàn toàn 2,5 mM Ag+
. Kết quả thí nghiệm nhận được trong công trình này cho thấy để khử hoàn toàn 1mM Ag+ Ag0 cần liều xạ 2,4 kGy, cao hơn so với tính toán lý thuyết. Nguyên nhân của sai khác này có thể là oxi tự do trong mẫu làm giảm hiệu suất của quá trình khử.
Hình 3.2: Phổ UV-Vis mẫu Ag nano/SiO2 với nồng độ Ag+ ban đầu 10 mM (a) và 20 mM (b) theo liều xạ
b) a)
0 0.5 1 1.5 2 0 20 40 60 LiÒu x¹ (kGy) OD 5 mM 10 mM 20 mM
Hình 3.3: Đồ thị OD theo liều xạ của các mẫu sau chiếu xạ
Khảo sát tương tự kết quả hình 3.2 và 3.3 cho thấy Dbh của các mẫu Ag nano/SiO2 có nồng độ Ag+ ban đầu 10 và 20 mM tương ứng là 24 và 36 kGy.
3.2. Ảnh hƣởng của nồng độ Ag+
đến kích thƣớc hạt Ag nano
Hình 3.4: Phổ UV-Vis tại Dbh của mẫu Ag nano/SiO2 có nồng độ Ag+ ban đầu 5, 10 và 20 mM
Liều xạ (kGy) OD
Phổ UV-Vis ở liều xạ bão hòa của Ag nano/SiO2 có nồng độ Ag+ ban đầu 5, 10 và 20 mM (hình 3.4) cho thấy, khi nồng độ bạc ion ban đầu càng cao, bạc nano tạo thành có OD càng giảm và max chuyển dời về thang có giá trị lớn hơn. Kết quả này được thể hiện rõ hơn trong bảng 3.1.
Bảng 3.1: OD, max của Ag nano từ mẫu Ag nano/SiO2 có nồng độ Ag+ ban đầu 5, 10 và 20 mM
Nồng độ Ag+ (mM) OD max, nm
5 1,42 418,5
10 1,13 439,0
20 0,49 447,5
Kết quả bảng 3.1 cho thấy khi tăng nồng độ Ag+ thì max của Ag nano tăng và OD giảm. Cụ thể, max đạt giá trị 418,5; 439,0; 447,5 nm và OD là 1,42; 1,13; 0,49 tương ứng đối với mẫu có nồng độ Ag+
ban đầu là 5, 10 và 20 mM. Kết quả thu được chứng tỏ rằng khi nồng độ Ag+
càng cao, Ag nano tạo thành có kích thước hạt càng lớn. Điều này cũng được ghi nhận trong nghiên cứu chế tạo dung dịch Ag nano sử dụng poly vinylalcol (PVA) làm chất ổn định [13].
3.3. Khảo sát kích thƣớc hạt và cấu trúc đặc trƣng của Ag nano
Hình 3.5: Phổ UV-Vis (a) và ảnh chụp (b) của mẫu Ag nano/SiO2 dạng bột khô chế tạo từ mẫu Ag+ ban đầu 10mM.
a)
Để thuận lợi cho việc xác định cấu trúc đặc trưng, các mẫu Ag nano/SiO2 dạng paste được chuyển thành dạng bột khô.
Đặc trưng phổ hấp thụ UV-Vis các mẫu Ag nano/SiO2 dạng bột khô được thể hiện qua hình 3.5a. max và OD của mẫu Ag nano/SiO2 dạng bột khô có hàm lượng Ag+ ban đầu 5, 10 và 20 mM tương ứng là 417,5 (0,24), 436,5 (0,14), 437,5 (0,07). So sánh với OD của Ag nano/SiO2 dạng paste thấy rằng sau khi sấy khô OD giảm. Mẫu Ag nano/SiO2 với hàm lượng Ag+ ban đầu 5mM có max và OD khi đo ở dạng paste tương ứng là 418,5 nm và 1,42, trong khi đó dạng bột là 417,5 nm và 0,24. OD giảm có thể được giải thích là do sự liên kết giữa các hạt Ag nano/SiO2 sau khi sấy khô. Các mẫu Ag nano/SiO2 dạngbột (hình 3.5b) được sử dụng phân tích hàm lượng bạc (phương pháp AAS), kích thước hạt bạc nano (d), cấu trúc tinh thể hạt Ag nano thông qua chụp ảnh TEM và phổ XRD.
Kết quả phân tích hàm lượng bạc trong mẫu Ag nano/SiO2 (nồng độ Ag+ ban đầu 10mM) là khoảng 11.360 ppm (phụ lục 1). . a) d ~ 5-20 (nm) b) d ~15-30 (nm)
Hình 3.6: Ảnh TEM mẫu Ag nano/SiO2 với nồng độ Ag+ ban đầu a) 5 mM, b) 10 mM và c) 20 mM.
Như đã trình bày ở trên, mẫu Ag nano/SiO2 dạng bột khô có mật độ quang giảm từ 0,24 đến 0,07 khi tăng nồng độ Ag+ từ 5 đến 20 mM. Kết quả này có thể suy đoán kích thước hạt bạc nano tăng khi tăng nồng độ Ag+. Điều này được thể hiện rõ hơn qua kích thước hạt của bạc nano xác định từ ảnh TEM. Kết quả ảnh TEM hình 3.6, cho thấy kích thước hạt bạc nhỏ hơn 40 nm đối với cả ba nồng độ, mẫu Ag nano/SiO2 với nồng độ Ag+ 5, 10 và 20 mM có kích thước hạt bạc nano tương ứng khoảng 5-20, 15-30 và 20-40 nm. T. Tuval [47] cùng cộng sự đã nghiên cứu chế tạo Ag nano gắn trên SiO2 sử dụng phương pháp polyol kết hợp vi sóng, phản ứng có sự hiện diện polyme PEG 400 làm dung môi. Kết quả cho thấy Ag nano tạo thành có kích thước khoảng 20 nm trên bề mặt hạt SiO2, nồng độ bạc ion và SiO2 sử dụng ban đầu tương ứng là 11 mM và 0,3%. Sự gia tăng nồng độ Ag+ trong khi hàm lượng SiO2 không đổi, bạc nano tạo thành có kích thước hạt tăng. Điều này có thể là do khi tăng nồng độ bạc, hiệu quả cản trở không gian của hệ
c) d ~20-40 (nm)
phân tán SiO2 đối với hạt Ag nano tạo thành giảm, làm tăng sự kết tụ. Ngoài ra kích thước tinh thể trung bình của hạt Ag nano còn được xác định qua phổ XRD.
Hình 3.7: Phổ XRD SiO2 (a), Ag nano/SiO2 (nồng độ Ag+ ban đầu 10 mM) (b) Cấu trúc tinh thể của Ag nano được khảo sát bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD). Phổ XRD của SiO2 (hình 3.7 a) có 1 đỉnh ở vị trí 2 = 21,9o, chứng tỏ hạt SiO2 có cấu trúc vô định hình [17, 47]. Trong khi đó phổ XRD của Ag nano/SiO2 (hình 3.7 b), ngoài đỉnh đặc trưng của SiO2 còn có 4 đỉnh đặc trưng ở vị trí 2 = 37,96o; 44,23o; 64,22o và 77,23o tương ứng với các mặt phẳng tinh thể (111), (200), (220) và (311) chứng tỏ bạc nano tạo thành có cấu trúc lập phương tâm mặt (Face Centered Cubic -FCC) [45]. Kích thước tinh thể trung bình của hạt Ag nano đối với mẫu Ag nano/SiO2 nồng độ Ag+ 10 mM là 23 nm tính theo công thức Debye-
Scherrer. Tính toán tương tự từ phổ XRD của mẫu Ag nano/SiO2 nồng độ Ag+ ban đầu 5 và 20 mM (phụ lục 2) cho kích thước tinh thể trung bình của Ag nano tương ứng là 19,9 và 25,4 nm. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây. Trong nghiên cứu của A. Sarkany và cộng sự [39], Ag nano/SiO2 được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ gamma, trong đó nồng độ SiO2
là 10%, nồng độ Ag+ 2 mM. Kết quả nhận được Ag nano có kích thước hạt khoảng 3-7 nm (TEM), kích thước tinh thể trung bình của hạt Ag nano là 3,8 nm (XRD).
3.4. Hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2
Bảng 3.2: Hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2 theo nồng độ Ag nano Xem (phụ lục 3).
Ký hiệu mẫu Aspergillus Penicillium
CFU/ml η (%) CFU/ml η (%) ĐC (0 ppm) 1,8×106 0 2,7×104 0 30 ppm 6,4×105 64 2,0×104 26 50 ppm 5,2×105 71 1,1×104 59 70 ppm 3,4×105 81 3,7×103 86 100 ppm 3,1×105 82 2,5×103 91 150 ppm 7,1×104 96 2,0×103 92
96% 82% 81% 71% 64% 0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 30 50 70 100 150
Hình 3.8: Hoạt tính kháng nấm Aspergillus theo nồng độ Ag nano
0% 26% 59% 86% 91% 92% 0 5 10 15 20 25 30 0 30 50 70 100 150
Hình 3.9: Hoạt tính kháng nấm Penicillium theo nồng độ Ag nano Nấm Penicillium (CFU /m l) 10 3 Nồng độ Ag nano (ppm) Nấm Aspergillus (CFU /ml ) 10 5 Nồng độ Ag nano (ppm)
Kết quả ghi nhận từ bảng 3.2 và hình 3.8, 3.9 cho thấy có sự khác biệt mật độ tế bào vi nấm giữa các nồng độ Ag nano là khá rõ. Nồng độ Ag nano càng cao hiệu quả kháng nấm càng mạnh. Trong khoảng nồng độ khảo sát từ 30-150 ppm, hiệu quả kháng nấm Aspergillus đạt được là 64, 71, 81, 82, 96% và đối với nấm Penicillium là 26, 59, 86, 91, 92% tương ứng với nồng độ Ag nano 30, 50, 70, 100,
150 ppm. Nồng độ Ag nano 150 ppm làm giảm 2 bậc log CFU/ml số tế bào nấm
Aspergillus từ ~ 2 106 CFU/ml xuống còn ~ 7 104 CFU/ml. Đối với nấm
Penicillium nồng độ Ag nano 100 ppm làm giảm 1 bậc log CFU/ml từ ~ 3 104 CFU/ml xuống còn ~ 2 103 CFU/ml. Hiệu quả kháng nấm của Ag nano/SiO2 phụ thuộc vào kích thước, hình dạng hạt Ag nano, cấu trúc tế bào của từng loại nấm và thời gian tiếp xúc của Ag nano với vi sinh vật [12, 37]. S. Oh [33] cùng cộng sự đã nghiên cứu khả năng kháng nấm Botrytis cinerea của Ag nano/SiO2 là 65; 99,9; 99,9% khi nồng độ Ag nano sử dụng tương ứng là 10, 50, 100 ppm.
Ngoài ra, hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2 thể hiện qua kích thước khuẩn lạc nấm Penicillium citrinum Thom được đo sau 5 ngày nuôi cấy như sau:
Bảng 3.3: Kích thước khuẩn lạc nấm Penicillium citrinum Thom theo nồng độ Ag
Nồng độ Ag nano (ppm) ĐC 30 50 70 100 150
Kích thước vòng nấm (mm) 14 10 7 4 2,5 2,5
Kết quả bảng 3.3, hình 3.10 cho thấy kích thước khuẩn lạc nấm Penicillium citrinum Thom giảm dần khi tăng nồng độ Ag nano. Kích thước vòng nấm của mẫu
đối chứng là 14 mm. Khi nồng độ Ag nano 100 ppm kích thước vòng nấm là 2,5 mm cũng tương tự như ở nồng độ Ag nano 150 ppm.
ĐC 30 ppm 50 ppm
70 ppm 100 ppm 150 ppm
Hình 3.10: Kích thước khuẩn lạc nấm Penicillium theo nồng độ Ag nano
3.5. Độ ổn định kích thƣớc của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn
Độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn nước được khảo sát bằng chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) theo thời gian như mẫu mới pha, sau 3 tháng và sau 6 tháng không thấy có sự khác biệt nhiều (hình 3.11). Điều này có thể là do hàm lượng Ag nano trong mẫu không đáng kể so với hàm lượng sơn.
Hình 3.11: Ảnh SEM Ag nano/SiO2 trong sơn nước khi mới pha a), sau 3 tháng b) và sau 6 tháng c)
a) b)
3.6. Hoạt tính kháng nấm Aspergillus niger var Tieghn của sơn nƣớc đã đƣợc pha trộn với Ag nano/SiO2
3.6.1. Khảo sát ở điều kiện nhiệt độ thƣờng nhiều hơi ẩm
a/ ĐC (sơn) b/ Agnano/SiO2/sơn
Hình 3.12: Nấm Aspergillus trên nền sơn sau 8 tháng, a/ ĐC (chỉ có sơn), b/ Sơn chứa Ag nano/SiO2 với nồng độ Ag nano là 30 ppm
Các mẫu sơn nước có và không có Ag nano/SiO2 được sơn lên các tấm đan, cấy nấm Aspergillus niger var Tieghn lên màng sơn. Sau 8 tháng mẫu đối chứng cho
thấy có sự phát triển của nấm trên bề mặt màng sơn (hình 3.12 a) trong khi màng sơn có chứa Ag nano hàm lượng 30 ppm (hình 3.12 b) hầu như không thấy có sự phát triển của nấm.
3.6.2. Khảo sát trong điều kiện phòng thí nghiệm
a) ĐC 1 (vải PE) b) ĐC 2 (Vải PE + sơn)
c) Vải PE + sơn + Ag nano/SiO2 (paste)
d) Vải + sơn + Ag nano/SiO2 (bột)
Hình 3.13: Hoạt tính kháng nấm của màng sơn có Ag nano/SiO2 với nồng độ Ag nano 100 ppm trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Kết quả hình 3.13 cho thấy nấm mộc bao phủ trên bề mặt mẫu ĐC 1 (hình 3.13 a) và ĐC 2 (hình 3.13 b), trong khi đó nấm không mọc được trên bề mặt mẫu vải PE có sơn pha Ag nano 100 ppm/SiO2 dạng paste (hình 3.13 c) và Ag nano 100 ppm/SiO2 dạng bột (hình 3.13 d). Chứng tỏ rằng sơn nước có chứa Ag nano/SiO2
thể hiện hiệu quả kháng nấm Aspergillus niger var Tieghn tốt so với mẫu sơn không có Ag nano/SiO2. Y. Lv et. al [28] đã nghiên cứu gắn Ag nano trên sứ xốp ứng dụng xử lý nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy số khuẩn E. coli trong nước ban đầu là ~ 105
CFU/ml, sau khi cho nước nhiễm khuẩn này chảy qua sứ có Ag nano với tốc độ 0,01 L/phút thì số khuẩn lạc trong nước là 0 CFU/ml.
Như vậy, Ag nano/SiO2 đã cho thấy hoạt tính kháng nấm Aspergillus, Penicillium hiệu quả trong điều kiện nghiên cứu và mở ra khả năng ứng dụng phối
trộn vào sơn nước tạo sơn kháng khuẩn, nấm mốc trong các môi trường có nhiều vi khuẩn gây bệnh như trường học, trạm xe công cộng.. .
KẾT LUẬN
Đã nghiên cứu chế tạo được bạc nano gắn trên bề mặt silica (Ag nano/SiO2) bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60.
Liều xạ chuyển hóa bão hòa đối với mẫu có nồng độ Ag+ 5, 10 và 20 mM tương ứng là 12, 24 và 36 kGy.
Ag nano/SiO2 có kích thước hạt bạc trong khoảng 5-40 nm với nồng độ bạc ion sử dụng ban đầu là 5-20 mM.
Hạt Ag nano tạo thành có cấu trúc lập phương tâm mặt, kích thước tinh thể trung bình của Ag nano là 23 nm khi nồng độ Ag+ ban đầu là 10 mM.
Số tế bào nấm Aspergillus giảm 2 bậc log CFU/ml (96%) ở nồng độ Ag nano 150 ppm và số tế bào nấm Penicillium giảm 1 bậc log CFU/ml (91%) ở nồng độ Ag nano 100 ppm từ dung dịch nấm có nồng độ ban đầu tương ứng là ~ 2 106 CFU/ml và ~ 3 104 CFU/ml.
Độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn bằng chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) theo thời gian không thấy có sự khác biệt đáng kể.
Trong điều kiện phòng thí nghiệm sơn nước có chứa Ag nano/SiO2 với hàm lượng Ag nano 100 ppm cho hiệu quả kháng nấm Aspergillus cao hơn so với mẫu sơn không có Ag nano/SiO2.
Trong điều kiện nhiệt độ thường nhiều hơi ẩm, màng sơn có chứa Ag nano/SiO2 cho thấy có hiệu ứng kháng nấm Aspergillus so với mẫu không có Ag
nano/SiO2 và tiếp tục được theo dõi theo thời gian.
Sản phẩm dạng bột Ag nano/SiO2 rất có triển vọng để ứng dụng làm chất kháng khuẩn, kháng nấm trong các sản phẩm như sơn, kem đánh răng, bao bì thực phẩm.
MỘT SỐ KIẾN NGHỊ
Tác giả thực hiện đề tài xin có một số kiến nghị như sau:
- Khảo sát thêm hiệu ứng kháng nấm của màng sơn có Ag nano/SiO2 trong điều kiện môi trường tự nhiên theo thời gian.
- Khảo sát khả năng phối trộn của Ag nano/SiO2 với các loại nhựa để sản xuất sản phẩm nhựa kháng khuẩn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Bùi Duy Du và cộng sự (2007), “ Nghiên cứu chế tạo bạc nano bằng phương