nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng của vật liệu nano ag

Với kích thước nhỏ như vậy, vật liệu nano có những tính chất vô cùng độcđáo mà những vật liệu có kích thước lớn hơn không thể có được như hoạt tính xúctác cao, các tính chất điện - quang

MỞ ĐẦU

Nếu thế kỷ XX được coi là thế kỷ của cuộc cách mạng công nghệ thông tinthì thế kỷ XXI sẽ là thế kỷ của công nghệ nano Công nghệ nano đang phát triển vớimột tốc độ bùng nổ và hứa hẹn đem lại nhiều thành tựu cho loài người

Đối tượng của ngành công nghệ nano là những vật liệu có kích cỡ nanomet(10-9m) Với kích thước nhỏ như vậy, vật liệu nano có những tính chất vô cùng độcđáo mà những vật liệu có kích thước lớn hơn không thể có được như hoạt tính xúctác cao, các tính chất điện - quang nổi trội,… Chính những tính chất ưu việt này đã

mở ra cho vật liệu nano những ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực khácnhau như: công nghệ điện tử - viễn thông, sức khoẻ - y tế, năng lượng và môitrường [1] Tuy là một ngành còn non trẻ, song với tốc độ phát triển và những thànhtựu nghiên cứu nổi bật gần đây, công nghệ nano có thể làm thay đổi một cách toàndiện và sâu sắc mọi mặt trong đời sống

Nhận thức được vai trò, tầm quan trọng của công nghệ nano và để không bịtụt hậu so với các nước phát triển, từ năm 2004, nhà nước ta đã coi sự phát triểncông nghệ nano như một mũi nhọn về khoa học công nghệ để phục vụ cho cácngành khoa học khác Trong những năm gần đây, công nghệ nano nước ta đã thuđược một số thành tựu bước đầu đáng khích lệ như đã điều chế được các vật liệunano TiO2, Cu2O, Ag, các oxit phức hợp,… và đang nghiên cứu để đưa các sảnphẩm này vào ứng dụng trên quy mô công nghiệp [1] Trong số những vật liệu nano

đó, Ag nano đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu do những ứng dụngtuyệt vời của nó trong các lĩnh vực như: diệt khuẩn và khử trùng, chất khử mùi, mỹphẩm, dệt, chất xúc tác, cảm biến, vật liệu phức hợp nano, [2 - 4]

Từ lâu, con người đã biết đến tác dụng sát khuẩn mạnh của bạc Những chén,bát, thìa nĩa, nồi niêu của người La Mã cổ, của các vua chúa phong kiến và ngay cảchiếc bi đông nhôm tráng bạc của anh chiến sĩ giải phóng đã chứng minh điều đó.Tuy nhiên tác dụng này không được ứng dụng rộng rãi vì nếu dùng bạc khối hayphủ bạc khối cũng là quá đắt Từ khi công nghệ nano ra đời, việc ứng dụng bạctrong cuộc sống đã tìm được chỗ đứng của mình Với cấu trúc nano, các hạt bạcsiêu nhỏ này tương tác dễ dàng với nhau làm tăng hiệu quả kháng khuẩn Hiệu quảnày lớn tới mức 1 gam hạt nano Ag có thể tạo tính chất kháng khuẩn tới hàng trămmét vuông chất nền [5] Điều này khiến lượng bạc sử dụng trong các ứng dụngkhông đáng kể nên giá thành trở nên giảm đi rất nhiều Thí dụ như để diệt khuẩnhoàn toàn cho một mét khối nước chỉ cần 10 đến 20 miligam bạc, hay nhựa plasticlàm đồ dùng kháng khuẩn chỉ chứa 100 miligam bạc trong một kilogam vật liệu [6]

Ở nước ta, tỷ lệ tử vong và tỷ lệ mắc các bệnh truyền nhiễm của trẻ emnhững năm gần đây đã được giảm hẳn, song các bệnh liên quan tới nước và vệ sinhmôi trường vẫn là vấn đề lớn về sức khỏe Bệnh tiêu chảy là một trong nhữngnguyên nhân chính gây ra tình trạng ốm đau trên phạm vi toàn quốc, làm chokhoảng 250.000 người phải nhập viện mỗi năm Theo ước tính mới đây, có tới 44%trẻ em Việt Nam bị nhiễm giun tóc, giun móc và giun đũa Đó cũng là một phần lý

do tại sao Việt Nam vẫn là một trong những nước có tỷ lệ suy dinh dưỡng ở trẻ emcao nhất Đông Nam Á Vấn đề này càng trầm trọng hơn đối với vùng sâu, vùng xa,vùng có nhiều đồng bào dân tộc thiểu số sinh sống

Qua tìm hiểu, chúng tôi nhận định có thể ứng dụng khả năng diệt khuẩn củanano Ag để giải quyết vấn đề nêu trên Theo nhiều tài liệu công bố, nano Ag có thểhạn chế sự phát triển của vi khuẩn, tấn công và phá vỡ màng tế bào của gần 650 loại

vi khuẩn đơn bào gây hại, đặc biệt là 2 chủng Staphylococcus (gây ung thư) và

E.coli (gây tiêu chảy) Trong khi đó, việc nghiên cứu trong nước về vật liệu nano

Ag vẫn chưa mang tính hệ thống Vì vậy, hướng nghiên cứu chế tạo bạc có kíchthước nano để ứng dụng diệt khuẩn và thăm dò các ứng dụng khác vẫn đang rất cầnthiết

Với những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và ứng

dụng của vật liệu nano Ag” với mục tiêu:

 Tổng hợp keo bạc có cấu trúc nano xuất phát từ nguồn nguyên liệu ban đầu

là AgNO3

 Khảo sát đặc trưng, hình dạng và kích thước của nano Ag tổng hợp được

 Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu nano Ag và một số ứng dụngkhác

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về hóa học nano

1.1.1 Khoa học nano và công nghệ nano

Theo Viện Hàn lâm Hoàng gia Anh quốc: “Khoa học nano là ngành khoahọc nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mônguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu kháchẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn” [7]

Thuật ngữ “công nghệ nano” được biết đến từ những năm 70 của thế kỉ XX

Có rất nhiều cách để định nghĩa công nghệ nano

Theo giáo sư Norio Taniguchi của Đại học Khoa học Tokyo: “Công nghệnano bao gồm các quá trình của phân tách, làm bền và biến dạng của vật liệu bằngmột nguyên tử hoặc phân tử” [1]

Theo Viện Hàn lâm Hoàng gia Anh quốc: “Công nghệ nano là ngành côngnghệ liên quan đến việc chế tạo, thiết kế, phân tích cấu trúc và ứng dụng các cấutrúc, thiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên cấp độnanomet” [7]

Công nghệ nano là một khoa học liên ngành, là sự kết tinh của nhiều thànhtựu khoa học trên nhiều lĩnh vực khác nhau (bao gồm toán học, vật lí, hoá học, y-sinh học,…) và là một ngành công nghệ có nhiều tiềm năng [1, 8]

Công nghệ nano

Vật lýToán học

từ kích thước của chúng, vào cỡ nanomet, đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tínhchất hóa lý của vật liệu thông thường Đây là lý do mang lại tên gọi cho vật liệu.

Kích thước vật liệu nano trải một khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụthuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu

Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng vàkhí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu rắn, sau

đó mới đến chất lỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loạisau:

 Vật liệu nano không chiều: là vật liệu trong đó cả ba chiều đều có kíchthước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano,

 Vật liệu nano một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano,

 Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano,hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng, các lớp phủ bề mặt,

 Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ

có một phần của vật liệu có kích thước nanomet, hoặc cấu trúc của nó có nanokhông chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

1.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ nano [1]

Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano:

1.1.3.1 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử

Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử đượctrung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể

bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thìcác tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn Ví dụ: một chấm lượng tử có thể đượccoi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử

1.1.3.2 Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nanomet, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽchiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy các hiệu ứng có liênquan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chấtcủa vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối

do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chấtcủa vật liệu Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước

vĩ mô mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơnquãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vàiđến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa Lúc đó điện trở của vật có

kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Không phải bất cứ vật liệu nào

có kích thước nano cũng đều có tính chất khác biệt, vì nó còn phụ thuộc vào tínhchất mà vật liệu đó được nghiên cứu

Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và cáctính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nanomet Chính vì thế mà

người ta gọi ngành khoa học và công nghệ liên quan là khoa học nano và công nghệ

nano.

1.2 Giới thiệu về nano Ag

Bạc kim loại từ lâu đã được sử dụng làm chất diệt khuẩn, nhưng khi ở trạngthái phân tán với kích thước nanomet thì khả năng diệt khuẩn của bạc được tăng lêngấp bội

Mối hạt nano bạc có kích thước từ 1-100 nm, chúng bao gồm một tập hợpnhất định các nguyên tử Ag, số lượng tùy thuộc vào kích thước của hạt nano Mỗihạt nano bạc có kích thước 9 nm có chứa khoảng 2400 nguyên tử Ag Các hạt nanobạc có thể được hoặc không được tích điện trên bề mặt của nó và có thể giải phóng

ra các ion bạc Một số tài liệu đã chứng minh rằng khả năng diệt khuẩn của bạc cóliên quan trực tiếp đến số lượng ion bạc được giải phóng

Theo GS.TS Phan Đình Khôi, Chủ Tịch Hội Vật lý học Việt Nam - ViệnKhoa học Vật liệu; nano Ag là một ứng dụng hoàn thiện của khoa học Công nghệnano giúp bạc tăng tính năng diệt khuẩn, sát trùng, tiêu độc và khử mùi; được ứngdụng trong một số sản phẩm như các dụng cụ bảo quản thực phẩm, sơn, các vật liệumay mặc, mỹ phẩm,…

Chắc chắn rằng với sự phát triển ngày càng cao của khoa học công nghệ,chúng ta còn khám phá ra nhiều tính chất hữu dụng hơn nữa của bạc nano cũng nhưcác vật liệu nano khác để nâng cao chất lượng cuộc sống và đẩy nhanh sự tiến bộcủa loài người [9]

1.2.1 Các phương pháp điều chế nano Ag

Người ta có thể sử dụng các quy trình khác nhau cũng như các điều kiệnkhác nhau: chất đầu, phương pháp, điều kiện lọc, rửa, sấy, nung,… để điều chế nano

Ag kích cỡ khác nhau phục vụ cho những mục đích khác nhau Nói chung, cũnggiống như các vật liệu nano khác, nano Ag chủ yếu được tổng hợp bằng hai phươngpháp chính là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học Ở đây chúng tôi chỉ đềcập đến một số phương pháp điển hình đã được biết khá rộng rãi trên thế giới.

1.2.1.1 Phương pháp vật lý

Đây là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha

a) Phương pháp chuyển pha

b) Phương pháp bốc bay nhiệt

Các phương pháp vật lý để điều chế vật liệu nano như trên thường yêu cầunhững thiết bị phức tạp, trong những điều kiện khá khắt khe và khó điều chỉnh đượckích thước hạt

1.2.1.2 Các phương pháp hóa học

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu nano bạc, trong đóphương pháp hóa học là một phương pháp có nhiều ưu điểm Ưu điểm nổi trội nhấtphải kể đến là mức độ đồng nhất hóa học rất tốt Do đó có thể trộn lẫn các chất khácnhau ở cấp độ phân tử Không những thiết bị đơn giản, mà với phương pháp hóahọc người ta có thể kiểm soát được các điều kiện phản ứng, các điều kiện ảnhhưởng đến kích thước hạt và hơn nữa còn điều khiển được kích thước hạt như mongmuốn

Dưới đây là một số phương pháp hóa học thường được sử dụng để điều chếvật liệu nano, đặc biệt là vật liệu nano Ag

a) Phương pháp phân hủy nhiệt

Phương pháp này người ta thường sử dụng muối của bạc và axit hữu cơ(thường là các axit béo mạch dài vì những axit này có tác dụng bảo vệ bề mặt hạt).Muối đó đem nung ở nhiệt độ dưới 300oC trong vòng 2 giờ thu được tinh thể nano

Ag kích cỡ nhỏ và có đường phân bố kích thước hẹp

b) Phương pháp polyol [10 - 12]

Có thể dùng ethylene glycol và các diol làm chất khử, ở nhiệt độ cao với sự

có mặt của chất làm bền để tạo ra các hạt nano Ag Nhưng qua nghiên cứu người tathấy rằng khả năng của poly(ethylene glycol) (PEG) nhạy hơn, nó lại có mạchcacbon dài nên PEG vừa là chất khử, vừa là chất bảo vệ trong quá trình phản ứng

Trong công trình [11] đã tiến hành như sau: Đun PEG đến 80oC, cho dungdịch AgNO3 vào, giữ nhiệt độ ở 80oC và khuấy đều trong một giờ Khi màu đỏ của

dung dịch chuyển từ hồng sang màu xanh đen, chứng tỏ các hạt bạc nano đã đượctạo thành Các hạt này bền trong nhiều tháng, chứng tỏ PEG là một chất bảo vệ tốt

Đây là một phương pháp mới và đơn giản để điều chế các hạt Ag nano Khi

sử dụng PEG không cần phải thêm dung môi, chất hoạt động bề mặt hay chất khử.Hình dạng và kích thước của nano Ag phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của chấtphản ứng Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: Khi độ dài của mạch polymertăng lên thì khả năng khử của PEG cũng tăng Các hạt Ag nano thu được bằngphương pháp này có kích thước khá nhỏ và đồng đều, khoảng 8 - 10 nm

Các tác nhân khử rất đa dạng, thường là: formaldehyde, hydzazine, muốitactrate, muối citrate, NaBH4, các polyol (ethylene glycol, glycerol, sorbitol,…),…

 Tác nhân bảo vệ

Bằng cách khống chế sự lớn lên của các hạt Ag và ngăn cản sự keo tụ củachúng, các chất bảo vệ này có vai trò chủ chốt trong việc điều chỉnh kích thước hạtbạc Các chất bảo vệ thường là các polymer và các chất hoạt động bề mặt như:poly(vinyl pyrrolidone) (PVP), poly(vinyl ancol) (PVA), poly(ethylene glycol)(PEG), cellulose acetate,…

 Cơ chế làm bền có thể được giải thích như sau:

Phân tử các chất làm bền thường có các nhóm phân cực có ái lực mạnh vớiion Ag+ và các nguyên tử Ag kim loại Đó là nhóm -OH ở PVA, PEG, celluloseacetate,…; nhóm chứa nguyên tử O, N trong PVP Trong quá trình phản ứng, do cácion Ag+ đã được gắn lên trên các polymer nên không thể lớn lên một cách tự do.Hơn nữa các hạt Ag nano khi vừa hình thành đã được ngăn cách với nhau bởi lớp

vỏ polymer lớn và không thể kết tụ được với nhau Điều này đã khống chế cả quátrình lớn lên và tập hợp của các hạt, do đó dễ tạo kích thước hạt nhỏ và đồng đều

Ngoài ra các hạt Ag nano còn được làm bền theo cơ chế làm bền của các hạtkeo Khi ion Ag+ chưa bị khử hoàn toàn, chúng được hấp phụ trên bề mặt hạt và tạo

thành các micelles gồm nhân bạc, một lớp chất bảo vệ và lớp điện kép của Ag+ và

NO

-3 Nhờ lớp điện kép này mà các hạt Ag nano mang điện tích trái dấu và đẩynhau, tránh hiện tượng keo tụ

Bên cạnh đó các yếu tố khác như: pH, nồng độ chất tham gia phản ứng, nhiệt

độ của phản ứng, tốc độ, thời gian phản ứng,… cũng ảnh hưởng tới chất lượng sảnphẩm tạo thành Ví dụ khi pH quá lớn sẽ xảy ra quá trình tạo thành Ag2O nên khókhống chế phản ứng, đặc biệt khi pH cao, ion OH- làm mỏng lớp điện kép bao ngoàihạt nano làm các hạt nano dễ tập hợp Khi nồng độ thấp, tốc độ cung cấp chất phảnứng nhỏ, các hạt nano thường tạo thành nhỏ và đồng đều hơn

Phương pháp này thường được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm vì quytrình sản xuất ra nano Ag khá đơn giản, không đòi hỏi thiết bị quá hiện đại, dễkhống chế các điều kiện phản ứng để thu được kích thước hạt theo mong muốnđồng thời có thể tổng hợp với lượng lớn Vì vậy phương pháp khử hóa học vớinhững ưu điểm nổi bật sẽ là sự lựa chọn tối ưu để tổng hợp các loại vật liệu này.Hình 1.2 cho biết quá trình chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp này

Hình 1.2 Quá trình chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp hóa khử.

Bắt đầu từ năm 1950, việc sử dụng năng lượng vi sóng để nung nóng vật liệumới được phát hiện Giờ đây, lò vi sóng đã trở thành thông dụng cho việc nungnóng các sản phẩm thức ăn trong gia đình Những thuận lợi tiềm tàng của nungnóng vi sóng đã thôi thúc các nhà nghiên cứu thiết kế các loại lò vi sóng chuyên

dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như luyện kim, gốm điện tử,… Đặc trưng nổibật nhất của sự nung nóng vi sóng là nung nóng thể tích, nó khác với nung nóngthông thường mà ở đó nhiệt phải khuếch tán từ bề mặt của vật liệu Với cơ chế nungnóng thể tích, vật liệu có thể hấp thụ năng lượng vi sóng trực tiếp từ bên trong vàbiến đổi nó thành nhiệt Đặc trưng đó dẫn đến những thuận lợi khi sử dụng vi sóng

để gia công vật liệu

Trong quá khứ, sự nung nóng vi sóng đã được sử dụng một cách thành công

ở một số lĩnh vực như: nung sơ bộ cao su, lưu hóa cao su, thịt lợn muối xông khóitrước khi nấu, sấy khô bột,… Tuy nhiên, những ứng dụng công nghiệp như vậy vẫncòn nằm trong dải nhiệt độ thấp

Từ sau năm 1980, xử lý vi sóng vật liệu ở nhiệt độ cao mới bắt đầu đượcquan tâm nghiên cứu Vi sóng được sử dụng như một cơ chế nung nóng có tiềmnăng để thay thế cho một vài phương pháp nung nóng thông thường Chính nhữngứng dụng tiềm năng đó đã thu hút ngày càng nhiều hơn những nghiên cứu trong lĩnhvực này Có thể điểm lại một số kết quả mới, nổi bật trong lĩnh vực xử lý vi sóngnhiệt độ cao từ năm 1999 đến nay:

 Năm 1999, nhóm tác giả A Fini và A Breccia, thuộc Trường Đại họcBologna – Ý, đã trình bày một báo cáo tổng quan về kết quả sử dụng lò vi sóngtrong lĩnh vực hóa vật liệu Bằng cách sử dụng lò vi sóng tần số 2.45 GHz, côngsuất từ 600 đến 700 W, hầu hết các phản ứng hóa học khó thực hiện đều diễn ra mộtcách triệt để, nhanh chóng sau khi xử lý vi sóng trong thời gian 5 phút Koos Jansen

đã đánh giá tính hiệu quả của việc sử dụng lò vi sóng trong việc chế tạo vật liệu râyphân tử (zeolite) Để chế tạo được zeolite, thường phải sử dụng các lò nung chuyêndụng với giá rất đắt cỡ khoảng 30.000$, thời gian nung ở nhiệt độ cao phải mấthàng chục giờ [15]

 Năm 2000, một báo cáo đáng chú ý nhất của nhóm nghiên cứu thuộcTrường Đại học Birmingham và Đại học Oxford về chế tạo vật liệu từ trở khổng lồ

La1-xAxMnO3 (A = Ca, Sr, Ba; x  0) sử dụng lò vi sóng Để chế tạo được nhóm vậtliệu này, phương pháp truyền thống phải tiến hành nung tại 1500oC trong thời gian

7 ngày Trong khi đó, sử dụng lò vi sóng tần số 2.45 GHz, công việc này chỉ mất 5phút [16]

 Năm 2002, nhóm O.P Thakur, Ch Prakash và D.K Agrawal thuộcTrường Đại học Pensylvania báo cáo kết quả nghiên cứu chế tạo gốm BaTiO3 bằng

vi sóng Nếu tiến hành theo phương pháp gốm truyền thống, phải tiến hành thiêu kếttại 1450oC trong thời gian 4 giờ và cả chu trình mất 700 phút Trong khi đó, nung vi

sóng tại 1400oC chỉ mất 25 phút và cả chu trình hết 90 phút Điều đáng quan tâm làvật liệu chế tạo được lại có các tính chất tốt hơn phương pháp nung truyền thống[17].

 Năm 2004, đáng quan tâm nhất là giải thưởng công nghệ của nhóm tác giả

J Hwang và X Huang tại Trường Đại học công nghệ Michigan về việc sử dụng visóng kết hợp với phương pháp phóng điện để chế tạo thép Các tác giả này cho thấy,nhiệt độ trên 1000oC đạt được chỉ sau 1 phút Trong khi đó, các lò cao luyện thépđang sử dụng phổ biến hiện nay phải mất 1 giờ Kết quả này cho phép giảm giáthành sản xuất thép, giảm ô nhiễm môi trường Người ta đánh giá rằng, kết quả nàythật sự đã thổi một luồng sinh khí mới mang lại sự hồi sinh cho ngành luyện thépcủa Hoa Kỳ và thế giới [18]

 Năm 2005, ông E Kubel – Giám đốc Trung tâm nhiệt kỹ thuật Hoa Kỳ đã

có một báo cáo khá đầy đủ về những về những tiến bộ trong công nghệ xử lý nhiệtbằng vi sóng trên thế giới Báo cáo này cho thấy một bức tranh toàn cảnh về cuộcchạy đua cải tiến, thiết kế các loại lò vi sóng với dung tích lớn hơn, tần số vi sóngcao hơn,… cho các mục đích ứng dụng khác nhau trong công nghiệp trên thế giới[19]

Như vậy, việc đưa vi sóng vào trong hệ phản ứng giúp tạo động học cho sựtổng hợp cực nhanh Phương pháp này đơn giản và dễ lặp lại Trong thiết bị vi sóngnhiệt được sinh ra là do sự tương tác giữa các momen lưỡng cực của phân tử vớibức xạ điện từ ở tần số cao So với nung nóng thông thường, nung nóng vi sóng cóthể rút ngắn thời gian phản ứng nhiều lần Sử dụng vi sóng, nhiệt không nhữngđược cung cấp nhanh mà còn đồng đều [35, 36]

Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trên thế giới và điều kiện hiện tạicủa phòng thí nghiệm, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu cải tiến lò vi sóng dândụng thành lò nung vi sóng nhiệt độ cao phục vụ cho công nghệ chế tạo vật liệu.Hình 1.3 là mô hình lò vi sóng mà chúng tôi sử dụng để tổng hợp keo bạc nano

Hình 1.3 Mô hình tổng hợp nano Ag theo phương pháp vi sóng.

Với mô Hình 1.3 thì cơ chế hình thành nano Ag được đề nghị như sau:

1 Bình phản ứng

1.2.2 Ứng dụng của nano Ag

Với sự phát triển của công nghệ nano, nano Ag là một đối tượng nhận đượcnhiều chú ý của các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp Vì bạc nano khôngnhững mang lại những đặc tính đáng quý của vật liệu nano mà còn có những tínhchất riêng khác biệt ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

1.2.2.1 Ứng dụng của nano Ag đối với sức khoẻ và y học

Do con người luôn phải chịu sự tấn công của các loại vi khuẩn độc hại cótrong môi trường, chính vì vậy mà khoa học luôn phải tìm kiếm, tổng hợp nên cácvật liệu có khả năng diệt trừ vi khuẩn

Dù không quá lâu khi thế giới phát hiện ra công nghệ nano Ag có những tínhnăng tuyệt vời với khả năng bảo vệ sức khoẻ con người, nhưng chỉ hơn một năm trởlại đây Việt Nam mới xuất hiện dòng sản phẩm ứng dụng công nghệ được coi làcuộc cách mạng của thế kỉ XXI này

Công nghệ nano Ag được biết phù hợp với điều kiện khí hậu, môi trường vàvăn hoá tiêu dùng của nước ta Với những ưu thế vượt trội, công nghệ nano – côngnghệ siêu nhỏ đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong lĩnh vực sử dụng sảnphẩm thiết yếu phục vụ đời sống con người và được coi là tiêu chí cạnh tranh hàngđầu giữa các nhà sản xuất trên thị trường [2]

Với diện tích bề mặt lớn, chỉ cần dùng một lượng nhỏ nano Ag mà tác dụngdiệt khuẩn đã tăng lên rất nhiều Bởi vậy mà rất nhiều vật dụng được tráng một lớpnano Ag để diệt khuẩn như máy điều hoà nhiệt độ, tủ lạnh, bình lọc nước,… nhằmkháng khuẩn và tiêu độc Bên cạnh đó không thể không nhắc tới một nhãn hiệuđược tin dùng trong suốt thời gian qua đó là bình sữa tiệt khuẩn và các dụng cụđựng thức ăn cho trẻ nhỏ của Mummybear Loại bình sữa tráng nano Ag này đangđược thu hút bởi tính năng ưu việt của nó như kháng khuẩn, tiêu độc, khử mùi, diệt

được 99.9% vi khuẩn E.coli và Staphylococcus gây bệnh tiêu chảy ở trẻ, ngoài ra

khăn ướt, hộp đựng thức ăn, quần áo trẻ em cũng đều được tráng một lớp bạc nano

để kháng khuẩn và tiêu độc

Trong y học, người ta dùng hạt nano Ag để làm các loại bông gạc y tế, cácdụng cụ phẫu thuật, dung dịch tẩy trùng và thành phần của một số dược phẩm,…

1.2.2.2 Ứng dụng của nano Ag trong công nghiệp điện tử

Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano lại có ảnh hưởng nhiều nhưđiện tử, công nghệ thông tin và truyền thông; nano Ag là một trong những vật liệuđược ứng dụng nhiều nhất trong lĩnh vực này Chúng không chỉ mang trong mìnhnhững tính chất ưu việt của vật liệu nano mà còn có hoạt tính xúc tác, tính điện, tính

quang, tính từ,… rất cao so với các vật liệu khác Do vậy nano Ag được ứng dụngtrong lĩnh vực điện tử để sản xuất những linh kiện, những vi mạch có thể truyền tải,ghi nhận, lưu trữ thông tin nhanh hơn và nhiều hơn Nhờ thế mà kích thước của cácthiết bị giảm xuống đáng kể mà chất lượng còn tăng thêm nhiều so với trước đây[20].

1.2.2.3 Ứng dụng của nano bạc trong lĩnh vực may mặc

Các nhà nghiên cứu đại học Clemson (Mỹ) vừa chế tạo một loại chất phủmới, giúp con người có những bộ quần áo sạch mà không cần giặt bằng cách sửdụng các hạt nano Ag có độ dày bằng 1/1000 sợi tóc người Hạt nano tạo ra cácbướu tí hon trên mặt vải và lớp phủ polymer làm bướu vĩnh viễn bám vào vải Khivải tiếp xúc với nước, chẳng hạn dưới trời mưa, chất bẩn sẽ tự cuốn trôi dễ dàng

Có thể gắn lớp phủ vào mọi loại vải như: polyester, bông, lụa,… Chất phủmới cũng có tiềm năng được phủ lên quần áo trẻ em, quần áo bệnh viện, đồ thểthao, quân phục và áo mưa…

Với sự phát triển cao của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ nano,trong thời gian tới người ta còn khám phá ra nhiều đặc tính ưu việt hơn nữa của bạcnano để tạo ra các loại vật dụng tiện ích, nâng cao chất lượng cuộc sống và đẩynhanh tiến bộ xã hội

1.2.3 Tình hình nghiên cứu nano Ag

Với những ứng dụng thực tiễn của nano Ag, con người đã tiến hành rất nhiềunghiên cứu với nhiều phương pháp khác nhau nhằm tìm kiếm phương pháp thíchhợp nhất cho những ứng dụng thực tiễn nhất Với điều kiện của một bài khóa luận,chúng tôi trình bày một vài công trình nghiên cứu với các phương pháp và cáchthức nghiên cứu về nano Ag như sau:

1.2.3.1 Tình hình nghiên cứu nano Ag trên thế giới

a) Phương pháp khử vật lý

 B.E Ershov và E.A Abkhalimov dùng phương pháp chiếu xạ (sử dụng tiachiếu xạ gamma Co-60) để tổng hợp nano bạc, tạo môi trường khử từ Ag+ về Ag0.Nguyên liệu ban đầu là AgClO4, tác nhân khử là HCOONa, chất ổn định làpolyphosphat trong môi trường alcohol Hệ dung dịch được đuổi khí bằng hệ thốngchân không và sau đó được đem vào chiếu xạ Dùng AFM để xác định kích thướchạt Sử dụng phương pháp chiếu xạ có lợi thế là có thể điều khiển được tốc độ khửnhư mong muốn bằng cách thay đổi cường độ chiếu xạ [21]

 Phương pháp nhiệt phân được S Navaladian và các cộng sự sử dụng để tạonano bạc từ nguồn nguyên liệu ban đầu là Ag2C2O4, với sự có mặt của chất ổn định

PVA Ag2C2O4 bị phân hủy trong môi trường nước hay môi trường ethylen glycol ởnhiệt độ 140oC Khi hỗn hợp phản ứng được gia nhiệt sau một khoảng thời gian, sựkhử hóa học cũng được diễn ra song song Tuy nhiên, lượng keo nano Ag được tạothành bởi sự phân hủy nhiệt cao hơn lượng tạo thành bởi sự khử hóa học PVA đóngvai trò chính trong phương pháp phân hủy bằng nhiệt này và nồng độ của nó là mộtthông số quan trọng để xác định kích thước hạt Sự phân hủy nhiệt của Ag2C2O4trong môi trường ethylen glycol nhanh hơn trong môi trường nước [22].

b) Phương pháp khử hóa học

Đây là phương pháp cổ điển, dùng chất khử mạnh để khử Ag+ về Ag0.Phương pháp này sẽ thu được hệ sol - gel nano Dùng các chất khử khác nhau vàcác chất polymer khác nhau sẽ cho các hệ hạt khác nhau Tùy vào mục đích sử dụng

mà ta dùng các loại chất khử và polymer tương ứng Như khi dùng nano bạc chongành dược, là ngành đòi hỏi nhiều tiêu chuẩn về sức khỏe rất cao, từ đó có thể sửdụng các chất khử như natricitrate, hydroquinone hay đường glucose, fructose vàdùng chất ổn định như PVP, PVA, chitosan, gelatin, để làm chất ổn định Tất cảcác chất này là tương hợp sinh học, hoàn toàn không gây ảnh hưởng đến sức khỏecon người [23 - 27] Hoặc khi dùng hệ nano trong lĩnh vực môi trường hay xúc tác,

có thể sử dụng các chất khử như NaBH4, HCHO [23 - 25, 28] Ngoài các chất ổnđịnh có thể sử dụng như trên còn có thể dùng các loại như: SDS, CTAB, NP-9,Tween 20 [29]

 Để tổng hợp nano Ag, Sudipa Panigrahi và các cộng sự đã sử dụngsacarose, glucose và fructose để vừa làm tác nhân khử, vừa làm chất ổn định.Nguyên liệu ban đầu là AgNO3 Hệ này cho phổ hấp thụ cực đại ở 390 – 420 nm

[21, 24, 25, 30, 31] Sau khi xem xét và so sánh 3 tác nhân trên, các tác giả đã rút ra

kết luận:

- Sacarose không thể dùng để khử bạc ngay cả khi pH thấp

- Glucose thể hiện tính khử mạnh hơn fructose, vì vậy mà sự khử diễn ranhanh hơn và thu được hệ hạt có kích thước nhỏ, nhưng sự kết tụ diễn ra khá nhanh,nên với glucose, nhìn chung tạo thành hệ hạt có kích thước không đồng đều

- Khi dùng fructose, mặc dù đường kính hạt ban đầu được tạo ra lớn hơnđường kính hạt đạt được bằng phương pháp glucose, nhưng các hạt tạo thành đềunhau

Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng đường (glucose, fructose) làm tácnhân khử đồng thời làm chất ổn định chúng luôn có sẵn, giá thành thấp và thânthiện với môi trường; không cần phải dùng tác nhân ổn định hệ [25]

 Cũng xuất phát từ nguồn nguyên liệu ban đầu là AgNO3, nhưng A.V.Vegera và A.D Zimon đã dùng NaBH4 làm chất khử, gelatin làm chất ổn định, đểđiều chế nano Ag Các tác giả nhận định: cỡ hạt phụ thuộc vào nồng độ ban đầu củaAgNO3 và độ ổn định của hệ phụ thuộc vào gelatin NaBH4 là chất khử mạnh nênphản ứng tạo nano bạc rất dễ xảy ra Tuy nhiên do NaBH4 là chất khử rất mạnh,mạnh hơn cả glucose nên hệ hạt tạo ra ban đầu sẽ rất nhỏ nhưng vì vậy mà khôngtạo ra đủ lực đẩy để tạo hệ keo ổn định, hệ rất dễ bị kết tụ [28].

 Với tác nhân khử là natricitrate và hydroquynone, cùng với chất ổn định làPVP và PVA, nhóm tác giả ở công trình [24] và [32] đã tổng hợp thành công nano

Ag Từ kết quả thu được, Rita Patakfalvi và các cộng sự nhận định: sự khử bạc của

hệ diễn ra trong 40 phút Nồng độ polymer càng cao thì hệ hạt thu được có kíchthước càng nhỏ [24] Và PVP đem lại sự ổn định nhiều hơn PVA do những hiệuứng trung gian và giảm tốc độ phát triển hạt nano [32]

c) Phương pháp vi sóng

 Nano Ag đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp vi sóng bởiHongjin Jiang và các cộng sự Các tác giả dùng dung môi là rượu polyhydric và sửdụng tần số vi sóng (VFM) làm nguồn nhiệt So với phương pháp nhiệt, phản ứngbằng tia phát xạ VFM xảy ra nhanh hơn nhiều Kết quả là khi nồng độ AgNO3 caohơn, thời gian phản ứng dài hơn và nhiệt độ phản ứng cao hơn làm gia tăng cỡ hạt;trong khi đó nồng độ PVP càng cao cỡ hạt càng giảm [33]

 Theo Kirti Patel và các cộng sự, các hạt nano Ag có kích thước trung bình

từ 15 đến 30 nm, có dạng đa diện với cấu trúc lập phương tâm mặt được tổng hợp từnguồn nguyên liệu ban đầu là AgNO3, sử dụng dung môi là ethylene glycol vàglycerol bằng phương pháp vi sóng Các tác giả Ấn Độ này đã thực hiện phản ứngvới thời gian rất ngắn, chỉ trong 45 giây chiếu xạ vi sóng [34]

 Cũng bằng phương pháp vi sóng, nhưng Ying Jie Zhu và Xian Luo Hu lạixuất phát từ Ag2O trong dung môi ethylene glycol với thời gian thực hiện phản ứng

là 10 phút Hai tác giả Trung Quốc này đã thu được sản phẩm Ag nano có cấu trúcdây dài khoảng vài micromet, có đường kính 40 – 120 nm, có tỉ số mặt 20 – 140 vàcấu trúc thanh với chiều dài ngắn hơn, có tỉ số mặt nhỏ hơn 20 [35]

 Theo các tác giả Nhật Bản, Masaharu Tsuji và các cộng sự cũng đi từAgNO3 với dung môi ethylene glycol, với sự có mặt của các hạt Pt và chất ổn địnhPVP bằng phương pháp vi sóng trong thời gian vài phút Tùy theo nồng độ của Pt,PVP, AgNO3 hay thời gian chiếu vi sóng mà sản phẩm nano Ag thu được có hìnhdạng và kích thước khác nhau: từ các sản phẩm nano một chiều (thanh nano và dây

nano), hay các sản phẩm nano hai chiều (tấm nano và đĩa nano) cho đến các sảnphẩm nano ba chiều (các hạt nano hình cầu hay tinh thể nano lập phương) [36].

1.2.3.2 Tình hình nghiên cứu nano Ag trong nước

 Ts Nguyễn Quốc Hiến và các cộng sự nghiên cứu tổng hợp nano bạc bằngphương pháp chiếu xạ Các tác giả cũng dùng chiếu xạ gamma Co-60 và lần lượtchọn PVA, PVP, chitosan (CTS) làm chất ổn định Kích thước trung bình của hạtnano khi sử dụng phương pháp này là 15,96  0,51 nm (PVP); 5,5  0,25 nm(chitosan); 2,92  0,05 nm (PVP/CTS) và 11,44  2,07 nm (PVP/etanol) [37 - 41]

 Với việc sử dụng bức xạ tia X, tác giả khóa luận [42] đã chế tạo hạt nanobạc đi từ nguyên liệu ban đầu là AgNO3, chất ổn định là ethyl phenol ethoxylate(TX-100) Các dung dịch AgNO3 và TX-100 với tỉ lệ mol xác định được khuấy đềubằng máy rung siêu âm trong 10 phút Các hạt nano Ag được hình thành và pháttriển khi hỗn hợp Ag+/TX-100 được khuấy đều và chiếu bằng tia X trong vòng 60phút Hạt nano Ag tạo ra có kích thước tương đối nhỏ, phân bố khá đồng đều, đaphần các hạt tạo ra có kích thước tập trung trong khoảng từ 8 đến 9 nm, các hạt có

độ tròn tương đối lớn (hạt có hình dạng tựa cầu)

 Theo [43], các tác giả điều chế nano bạc đi từ nguồn nguyên liệu ban đầu

là AgNO3, chất ổn định là PVA, chất khử là hydrazine hydrate Tác giả khảo sáttheo nồng độ AgNO3 trong thời gian 20 phút Kết quả thu được là: khi hàm lượngAgNO3 tăng thì kích thước hạt nano Ag cũng tăng theo Cụ thể, khi hàm lượngAgNO3 nhỏ (1%) thì độ phân bố của hạt nano Ag đều, nhưng khi hàm lượng AgNO3tăng (4%) thì có hiện tượng kết dính lại với nhau, và khi hàm lượng AgNO3 tăng lên6% thì các hạt nano Ag kết dính lại với nhau

 Nguyễn Cửu Khoa và các cộng sự tổng hợp nano bạc cũng đi từ nguồnnguyên liệu ban đầu là AgNO3, chất ổn định là PVA, chất khử là hydrazin hydratnhưng có thêm natricitrate Các tác giả nhận thấy:

- Kích thước các hạt nano Ag tạo thành khi có mặt natricitrate sẽ nhỏ hơn sovới khi không có natricitrate, và kích thước này không thay đổi theo hàm lượngnatricitrate

- Khi có mặt natricitrate, các hạt nano Ag sinh ra có kích thước ổn định vớihàm lượng AgNO3 thay đổi từ 1 đến 14% Khi hàm lượng AgNO3 lên tới 15%, códấu hiệu gia tăng kích thước của nano Ag [44]

 Để tìm ra loại chất khử phù hợp nhất cho quá trình điều chế nano bạc,nhóm tác giả trong [45] tiến hành khảo sát một số loại chất khử như: natricitrate,vitamin C (acid ascolic), natri borohydric Kết quả là với chất khử NaBH4 khi có

chất ổn định là chitosan thì việc điều chế nano bạc sẽ cho kích thước nhỏ nhất.Nhóm tác giả còn khảo sát điều chế nano bạc theo hai phương pháp là: phương pháphóa siêu âm và phương pháp khuấy từ Từ kết quả thu được, nhóm tác giả nhậnđịnh: màu nano bạc điều chế theo phương pháp khuấy từ có màu vàng đậm hơn màucủa nano bạc được điều chế theo phương pháp hóa siêu âm Kết quả TEM cho thấyhạt nano bạc siêu âm có kích thước trung bình nhỏ hơn 15 nm, so với khuấy từ cókích thước trung bình là 35 nm Và nhóm tác giả đi đến kết luận: với cùng một nồng

độ, cùng một chất khử và cùng một điều kiện phản ứng, điều chế nano bạc bằngphương pháp hóa siêu âm cho kích thước hạt nano nhỏ hơn phương pháp khuấy từthông thường

 Sử dụng chất ổn định SiO2 được chiết tách từ vỏ trấu, Nguyễn Ngọc KhoaTrường đã tổng hợp keo bạc nano xuất phát từ nguồn nguyên liệu ban đầu làAgNO3 bằng phương pháp vi sóng, chất khử là dung môi ethylene glycol (EG).Luận văn đã khảo sát theo thời gian chiếu xạ vi sóng và theo tỉ số mol củaSiO2/AgNO3 Ưu điểm của phương pháp này là đi từ chất ổn định giá thành thấp,phổ biến trên thị trường [46]

 Ts Nguyễn Thị Phương Phong và các cộng sự cũng nghiên cứu tổng hợpnano bạc bằng phương pháp vi sóng, nguyên liệu ban đầu là AgNO3, chất khử làdung môi ethylene glycol (EG) và glycerol (GL), nhưng chất ổn định là PVP Kếtquả cho thấy hạt nano bạc có dạng hình cầu, kích thước hạt nano bạc vào khoảng từ8-11 nm và có sự phân bố đồng đều hạt nano bạc trong dung dịch [47 - 49]

1.3 Các phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu

1.3.1 Phương pháp phổ kích thích electron

Phương pháp phổ kích thích electron hay còn gọi là phương pháp phổ hấpthụ Sự hấp thụ của phân tử trong vùng quang phổ tử ngoại và khả kiến (UV – Vis)phụ thuộc vào cấu trúc electron của phân tử Sự hấp thụ năng lượng được lượng tửhóa và do đó các electron bị kích thích nhảy từ obitan có mức năng lượng thấp lêncác obitan có mức năng lượng cao gây ra Bước chuyển năng lượng này tương ứngvới sự hấp thụ các tia sáng có bước sóng λ khác nhau theo phương trình:

∆E = hc/λTrong đó: h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng

Khi phân tử bị kích thích, các electron của các nguyên tử trong phân tử thựchiện các bước nhảy như trong hình 1.4

Hình 1.4 Các bước nhảy của electron trong nguyên tử.

Các bước nhảy б → б* cần năng lượng lớn nhất, tức là ánh sáng kích thích

có bước sóng ngắn nhất Các bước nhảy л → л* cần năng lượng nhỏ hơn, do đóánh sáng kích thích có bước sóng lớn hơn Các electron tự do n có thể nhảy sang л*hay б*, nhưng rõ ràng bước nhảy n → л* cần năng lượng nhỏ nhất và do đó ánhsáng kích thích có bước sóng lớn nhất

Phương pháp phổ hấp thụ UV – Vis được sử dụng rất thuận lợi và phổ biến

để phân tích các hợp chất và hỗn hợp Phương pháp này được gọi là phương phápphân tích trắc quang Cơ sở của phương pháp này là dựa vào định luật Bouguer -Lambert - Beer có phương trình hấp thụ bức xạ như sau:

A = lg I0

I = .l.CTrong đó:

1.3.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmisson Electron Microscope – TEM)[6]

Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là phương pháp cho phép sửdụng chùm tia electron năng lượng cao để quan sát các vật thể rất nhỏ Độ phóngđại của TEM là 400.000 lần đối với nhiều vật liệu và thậm chí lên đến 15 triệu lầnđối với các nguyên tử Với ưu thế về độ phóng đại rất lớn, TEM là công cụ đặc biệt

quan trọng trong việc nghiên cứu các vật liệu nano Hình 1.5 cho ta sơ đồ nguyên lý

hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua TEM

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua TEM.

Nguyên lý làm việc của máy TEM được mô tả như sau: Chùm electron đượctạo ra từ nguồn sau khi đi qua các thấu kính hội tụ sẽ tập trung lại tạo thành mộtdòng electron hẹp Dòng electron này tương tác với mẫu và một phần xuyên quamẫu Phần truyền qua đó được hội tụ bằng một thấu kính và tạo ảnh Ảnh sau đó sẽđược truyền đến bộ phận phóng đại Cuối cùng tín hiệu tương tác với màn huỳnhquang và sinh ra ánh sáng cho phép người dùng quan sát được ảnh Phần tối của ảnhđại diện cho vùng mẫu đã cản trở, chỉ cho một số ít electron xuyên qua (vùng mẫudày hoặc có mật độ cao) Phần sáng của ảnh đại diện cho những vùng mẫu khôngcản trở, cho nhiều electron truyền qua (vùng này mỏng hoặc có mật độ thấp) ẢnhTEM thu được sẽ là hình ảnh mặt cắt ngang của vật thể Ảnh TEM có thể cung cấpthông tin về hình dạng, cấu trúc kích thước của vật liệu nano

1.3.4 Phương pháp định lượng vi sinh vật

Nguồn cấp electron

Thấu kính

hội tụ

Mẫu

Phóng ảnh to

ẢnhMàn hình

hiển thị

Sự hiện diện của vi sinh vật có thể định lượng bằng nhiều phương pháp khácnhau như:

sẽ không có giá trị thống kê Số lượng lạc khuẩn tối ưu được đề nghị bởi các cơquan có uy tín như FDA, AOAC là từ 25 – 250 khuẩn lạc/đĩa

Số lượng khuẩn lạc xuất hiện trên đĩa phụ thuộc vào lượng mẫu sử dụng, môitrường và điều kiện ủ Thông thường, điều kiện nuôi cấy (môi trường, nhiệt độ, thờigian) cần đảm bảo sao cho số khuẩn lạc xuất hiện tối đa Phương pháp đếm khuẩnlạc dễ cho sai số nên cần thực hiện lặp lại ít nhất 2 đĩa cho 1 mẫu Kết quả đếmthường được trình bày bằng số đơn vị hình thành khuẩn lạc CFU/ml (colony –forming unit) theo công thức sau:

A (CFU/ml) = 1 1 i i

N

n Vf  nVf

Trong đó: A là số đơn vị hình thành khuẩn lạc trong 1 ml mẫu

N là tổng số khuẩn lạc đếm được trên các đĩa đã chọn

ni là số lượng đĩa cấy tại độ pha loãng thứ i

V là thể tích dịch mẫu (ml) cấy vào mỗi đĩa

f là độ pha loãng tương ứng

Mặc dù có nhược điểm như trên nhưng phương pháp đếm khuẩn lạc vẫn làphương pháp tốt nhất để xác định mật độ tế bào sống Ngoài ra, phương pháp nàycòn có ưu điểm là độ nhạy cao, cho phép định lượng vi sinh vật ở mật độ thấp trongmẫu Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong kiểm nghiệm vi sinh vật trongnước, thực phẩm, bệnh phẩm

Chương 2 THỰC NGHIỆM2.1 Tổng hợp keo nano Ag

2.1.1 Hóa chất và thiết bị thí nghiệm

2.1.1.1 Hóa chất

- Nước cất 1 lần

- Bạc nitrate tinh thể (AgNO3) được dùng làm nguồn nguyên liệu ban đầu

- Ethylene glycol C2H4(OH)2, viết tắt là EG (Shantou Xilong – Trung Quốc,96%), được dùng làm dung môi khử

- Glycerol C3H5(OH)3, viết tắt là GL (Shantou Xilong – Trung Quốc, 96%),được dùng làm dung môi khử

- Poly(vinyl pyrrolidone) 360K, viết tắt là PVP (Sigma Aldrich – Anh,99,9%), có công thức hóa học là (C6H9NO)n, được dùng làm chất ổn định Côngthức cấu tạo của PVP như sau:

2.1.1.2 Thiết bị thí nghiệm

- Lò vi sóng (Sanyo, Nhật Bản)

- Máy khuấy từ (ARE, Mỹ)

- Cân điện tử (HR 200, Thụy Sỹ)

- Các dụng cụ thủy tinh: cốc, bình định mức, pipet, đũa thủy tinh, ống đong

2.1.2 Cải tiến thiết bị lò vi sóng

Để thực hiện quá trình tổng hợp keo nano Ag theo phương pháp vi sóng, lò

vi sóng gia dụng (hiệu Sanyo, công suất 800W, tần số làm việc là 2,45GHz) đượccải tiến như sau: Mặt trên của lò có một lỗ khoan tròn đường kính 40 mm để lắp hệthống hồi lưu, nhằm mục đích duy trì thể tích của dung dịch trong quá trình phảnứng Hình 2.1 là lò vi sóng mà chúng tôi đã cải tiến để tổng hợp keo nano Ag

Hình 2.1 Lò vi sóng sau khi đã cải tiến 2.1.3 Tổng hợp keo nano Ag trong dung môi ethylene glycol

2.1.3.1 Khảo sát theo thời gian chiếu vi sóng

Hòa tan 0,0085 g muối AgNO3 vào 50 ml nước cất thu được 50 ml dung dịchAgNO3 nồng độ 1 mM

Khuấy đều 0,0139 g PVP trong 50 ml dung môi EG bằng máy khuấy từtrong thời gian 1 phút thu được 50 ml dung dịch PVP/EG nồng độ 2,5 mM

Hòa trộn 50 ml dung dịch PVP/EG 2,5 mM vào 50 ml dung dịch AgNO3 1

mM theo tỉ lệ 1:1 Khuấy đều bằng máy khuấy từ trong khoảng vài phút thu đượchỗn hợp 100 ml dung dịch AgNO3/PVP/EG

Cho từng mẫu 20 ml dung dịch AgNO3/PVP/EG vào lò vi sóng Chiếu visóng ở thời gian lần lượt là 1,5 phút; 2 phút; 2,5 phút; 5 phút và 10 phút Sản phẩmkeo nano Ag thu được có màu vàng tươi đặc trưng

2.1.3.2 Khảo sát theo tỉ số mol của PVP/AgNO 3

Gọi tỉ số mol của PVP/AgNO3 là

3

PVP AgNO

nrn

20 ml dung dịch này, được mỗi dung dịch 10 ml Thêm 10 ml dung môi EG vào 10

ml dung dịch PVP/EG 20 mM, được 20 ml dung dịch PVP/EG nồng độ 10 mM Cứnhư thế chia đôi 20 ml dung dịch này, rồi lại thêm 10 ml dung môi EG vào sẽ thuđược 4 mẫu, mỗi mẫu chứa 10 ml dung dịch PVP/EG có nồng độ lần lượt là 20mM;10 mM; 5 mM; 2,5 mM

Hòa trộn từng 10 ml dung dịch AgNO3 1 mM vào 4 mẫu chứa dung dịchPVP/EG có nồng độ như trên theo tỉ lệ 1:1 và khuấy đều bằng máy khuấy từ trongkhoảng vài phút, được 4 mẫu chứa hỗn hợp 20 ml AgNO3/PVP/EG có tỉ số molPVP/AgNO3 lần lựợt là r = 20; r = 10; r = 5; r = 2,5

Lần lượt cho từng mẫu vào lò vi sóng (lò vi sóng được đặt ở chế độ cấp nhiệtcông suất 400 W) rồi chiếu xạ vi sóng ở thời gian như nhau là 5 phút, thu được keonano Ag có màu vàng tươi đặc trưng

2.1.4 Tổng hợp keo nano Ag trong dung môi glycerol

2.1.4.1 Khảo sát theo thời gian chiếu vi sóng

Hòa tan 0,0085 g muối AgNO3 vào 50 ml nước cất thu được 50 ml dung dịchAgNO3 nồng độ 1 mM

Khuấy đều 0,0139 g PVP trong 50 ml dung môi GL bằng máy khuấy từtrong thời gian 1 phút thu được 50 ml dung dịch PVP/GL nồng độ 2,5 mM

Hòa trộn 50 ml dung dịch PVP/GL 2,5 mM vào 50 ml dung dịch AgNO3 1

mM theo tỉ lệ 1:1 Khuấy đều bằng máy khuấy từ trong khoảng vài phút thu đượchỗn hợp 100 ml AgNO3/PVP/GL Sau đó chia làm 5 mẫu, mỗi mẫu chứa hỗn hợp

20 ml AgNO3/PVP/GL

Lần lượt cho từng mẫu vào lò vi sóng (lò vi sóng được đặt ở chế độ cấp nhiệtcông suất 400 W) rồi chiếu xạ vi sóng ở thời gian lần lượt là 1,5 phút; 2 phút; 2,5phút; 5 phút và 10 phút Sản phẩm keo nano Ag thu được có màu vàng tươi đặctrưng

2.1.4.2 Khảo sát theo tỉ số mol của PVP/AgNO 3

Gọi tỉ số mol của PVP/AgNO3 là

3

PVP AgNO

nrn

ml dung dịch PVP/GL 20 mM, được 20 ml dung dịch PVP/GL nồng độ 10 mM Cứnhư thế chia đôi 20 ml dung dịch này, rồi lại thêm 10 ml dung môi GL vào sẽ thuđược 4 mẫu, mỗi mẫu chứa 10 ml dung dịch PVP/GL có nồng độ lần lượt là 20mM;10 mM; 5 mM; 2,5 mM.

Hòa trộn từng 10 ml dung dịch AgNO3 1 mM vào 4 mẫu chứa dung dịchPVP/GL có nồng độ như trên theo tỉ lệ 1:1 và khuấy đều bằng máy khuấy từ trongkhoảng vài phút, được 4 mẫu chứa hỗn hợp 20 ml AgNO3/PVP/GL có tỉ số molPVP/AgNO3 lần lựợt là r = 20; r = 10; r = 5; r = 2,5

Lần lượt cho từng mẫu vào lò vi sóng (lò vi sóng được đặt ở chế độ cấp nhiệtcông suất 400 W) rồi chiếu xạ vi sóng ở thời gian như nhau là 5 phút, thu được keonano Ag có màu vàng tươi đặc trưng

2.2 Khảo sát đặc trưng, hình dạng và kích thước của nano Ag tổng hợp được

Đặc trưng của Ag nano được xác định dựa vào phổ hấp thụ UV - Vis Vìđiều kiện phòng thí nghiệm, chúng tôi gửi mẫu thực hiện phép đo phổ hấp thụ UV -Vis của keo Ag nano trên máy đo phổ hấp thụ T 80 Spectrometer tại khoa Hóa,trường Đại học Khoa học Huế

Để xác định hình dạng và kích thước Ag nano, mẫu tổng hợp được gửi đoTEM trên máy JEOL JEM 100 tại Viện vệ sinh dịch tễ Trung ương

2.3 Đánh giá hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu nano Ag

2.3.1 Hóa chất và thiết bị thí nghiệm

2.3.2.1 Phủ nano Ag lên vật liệu gốm

Chuẩn bị bình gốm làm từ đất sét và vỏ trấu (có tỉ lệ 70 % đất sét – 30 % vỏtrấu) Tráng đều keo nano Ag lên thành bên trong bình Để yên 1 giờ cho các hạtnano Ag bám lên các hốc nhỏ của bình Sau đó sấy khô và nung vật liệu ở 200oCtrong khoảng 2 giờ

Trước khi được phủ keo Ag nano, trong bình gốm đã xuất hiện các hốc nhỏ

do các thành phần hữu cơ có trong vỏ trấu đã bị cháy trong quá trình nung Sau khiđược phủ keo Ag, do các thành phần hữu cơ có trong keo Ag đã bị bay hơi bởi quátrình nung nên chỉ còn lại các hạt Ag nano nằm lại ở các hốc nhỏ này Chính vì vậy

mà các bình gốm phủ keo Ag nano có thể được dùng làm các bộ lọc xử lý nước dựavào tính năng diệt khuẩn của Ag nano

2.3.2.2 Phủ nano Ag lên bề mặt silicagel

Silicagel được để ngoài không khí sạch cho no nước, sau đó cân 0,5 g chovào cốc chịu nhiệt Rót 20 ml dung dịch nano Ag vào khối hạt silicagel, đảo nhẹ và

để yên 1 giờ để các hạt nano Ag khuếch tán bám hầu hết vào bề mặt silicagel Sấykhô khối vật liệu, sau đó nung ở nhiệt độ 200oC trong khoảng 2 giờ Lấy khối vậtliệu ra, để nguội tới nhiệt độ phòng

Để so sánh khả năng diệt khuẩn của Ag ở kích thước nano với Ag ở dạngkhối, chúng tôi tiến hành phản ứng tráng bạc lên 2 loại vật liệu trên

- Tráng bạc lên thành bình gốm: cho 20 ml dung dịch AgNO3 0,5 mM vàobình gốm sạch Cho tiếp dung dịch NH3 đậm đặc đến khi kết tủa sinh ra tan hoàntoàn Thêm vào hỗn hợp vài ml dung dịch NaOH, rồi tiếp tục cho vào hỗn hợpkhoảng 20 ml dung dịch glucose Sau đó, sấy hỗn hợp ở 100oC trong 30 phút chophản ứng tráng bạc xảy ra hoàn toàn và đảm bảo bình không còn nước

- Tráng bạc lên silicagel: Silicagel được để ngoài không khí sạch cho nonước, sau đó cân 0,5 g cho vào cốc chịu nhiệt Cho 20 ml dung dịch AgNO3 0,5 mMvào cốc trên Cho tiếp dung dịch NH3 đậm đặc đến khi kết tủa sinh ra tan hoàn toàn.Thêm vào hỗn hợp vài ml dung dịch NaOH, rồi tiếp tục cho vào hỗn hợp khoảng 20

ml dung dịch glucose Sau đó, sấy hỗn hợp ở 100oC trong 30 phút cho phản ứngtráng bạc xảy ra hoàn toàn và đảm bảo cốc không còn nước

2.3.3 Hiệu quả diệt khuẩn của vật liệu nano Ag

2.3.3.1 Chuẩn bị mẫu

Lấy mẫu bằng chai sạch, mẫu được lấy ở hồ Bàu Sen (Thành phố QuyNhơn) (hình 2.2) Sau khi lấy mẫu, tiến hành lọc để loại bỏ cặn, váng có màu đểkhông ảnh hưởng tới màu khi hiện trên môi trường nuôi cấy

Hình 2.2 Hồ Bàu Sen (Thành Phố Quy Nhơn)

2.3.3.2 Xử lý mẫu

a) Với vật liệu gốm: chuẩn bị 3 bình gốm

+ Một bình gốm thường

+ Một bình gốm được tráng bạc khối

+ Một bình gốm được tráng keo nano Ag

- Cho vào mỗi bình 50 ml mẫu nước bẩn đã chuẩn bị ở trên

- Sau 1 giờ, tiến hành xác định tổng vi khuẩn hiếu khí và Coliforms có trong

3 mẫu nước trên

b) Với vật liệu silicagel: chuẩn bị 3 cốc thủy tinh

+ Cốc 1 chứa 0,5 g silicagel thường

+ Cốc 2 chứa 0,5 g silicagel đã hấp phụ bạc khối

+ Cốc 3 chứa 0,5 g silicagel đã hấp phụ keo nano Ag

- Cho vào mỗi cốc 50 ml mẫu nước bẩn đã chuẩn bị ở trên

- Sau 1 giờ, tiến hành xác định tổng vi khuẩn hiếu khí và Coliforms có trong

3 mẫu nước trên

2.3.3.3 Thực nghiệm xác định tổng vi khuẩn hiếu khí

a) Nguyên tắc

Tổng số vi khuẩn hiếu khí được đếm bằng cách cấy mẫu và nuôi ủ trongđiều kiện hiếu khí ở 30oC trong 72 giờ

b) Hóa chất - dụng cụ

- Hóa chất: cồn 70o, môi trường nuôi cấy PCA (Plate Count Agar) với thành

phần gồm: Pepton 5 g/l, D (+) glucose 1 g/l, Meat extract 2,5 g/l và Agar 14 g/l.

Môi trường PCA có pH 7,0  0,2 Môi trường được phân phối vào trong cácbình thủy tinh và hấp khử trùng ở 121oC trong 15 phút Các bình chứa môi trườngchưa sử dụng được bảo quản trong tủ lạnh ở 2 – 8oC Trước khi sử dụng, môitrường được đun chảy và làm nguội ở 45oC trong bể điều nhiệt

- Dụng cụ

+ Pipet 1ml, đĩa petri

+ Tủ sấy, tủ ấm, tủ lạnh, bể điều nhiệt, tủ cấy vô trùng, nồi hấp

+ Đèn cồn, đèn tử ngoại (UV)

+ Bút đếm khuẩn lạc

Các dụng cụ thí nghiệm thủy tinh sau khi rửa sạch được đem đi khử trùngbằng cách sấy ở nhiệt độ 160 – 170oC trong 1,5 - 2 giờ Các dụng cụ để đựng môitrường nuôi cấy vi sinh vật cũng được khử trùng bằng sức nóng khô ở nhiệt độ dưới

180oC

c) Quy trình

- Cấy mẫu: dùng pipet vô trùng chuyển 1 ml dung dịch mẫu vào giữa đĩapetri vô trùng Tương ứng với mỗi mẫu, cấy ít nhất 2 đĩa (tức là thực hiện 2 lần lặplại) Sau khi cấy, đổ vào mỗi đĩa 10 - 15 ml môi trường nuôi cấy (PCA) đã đượcđun chảy và ổn định ở 45oC Trộn điều dịch mẫu với môi trường bằng cách xoaytròn đĩa petri xuôi và ngược chiều kim đồng hồ, mỗi chiều 3 - 5 lần ngay sau khi đổmôi trường Đặt các đĩa trên mặt phẳng ngang cho thạch đông đặc

- Nuôi ủ: các đĩa được lật ngược và ủ trong 72 giờ ở 30oC

d) Kết quả

Có thể dùng mắt thường để đếm tất cả số khuẩn lạc xuất hiện trên các đĩasau khi ủ (chỉ chọn các đĩa có số khuẩn lạc dưới 250 để đếm) Hiệu suất diệt khuẩnđược tính theo công thức sau:

 = 1 2

1

N N N

  100%

Trong đó:  là phần trăm số vi khuẩn bị khử

N1 là số vi khuẩn sống sót từ mẫu đối chứng

N2 là số vi khuẩn sống sót từ mẫu kiểm tra

2.3.3.4 Thực nghiệm xác định Coliforms

a) Nguyên tắc

Nuôi cấy một lượng nhất định mẫu lên môi trường Endo Môi trường Endo

có chứa sodium sulphite và fuchsin có khả năng ức chế vi khuẩn gram dương

Trong quá trình phát triển trên môi trường này, Coliforms lên men đường lactose

tạo thành aldehyde và acid, aldehyde tác động đến phức chất fuchsin-sulphite vàgiải phóng fuchsin, sau đó fuchsin nhuộm các khuẩn lạc từ màu hồng đến đỏ cánhsen, tròn, bờ đều, có ánh kim hoặc không

b) Hóa chất - dụng cụ

- Hóa chất: cồn 70o, môi trường nuôi cấy Endo với thành phần: Pepton 10g/l, Sodium sulphite 3,3 g/l, Lactose 10 g/l, Fuchsin kiềm 0,3 g/l, K2HPO4 2,5g/l và Agar 15 g/l

Môi trường Endo có pH = 7,5 Đây là môi trường dinh dưỡng thích hợp để

định lượng Coliforms trong nước và trong thực phẩm Môi trường được phân phối

vào trong các bình thủy tinh và hấp khử trùng ở 121oC trong 20 phút

- Dụng cụ

+ Pipet 1ml, đĩa petri

+ Tủ sấy, tủ ấm, tủ lạnh, bể điều nhiệt, tủ cấy vô trùng, nồi hấp

+ Đèn cồn, đèn tử ngoại (UV)

+ Bút đếm khuẩn lạc

Các dụng cụ thí nghiệm thủy tinh sau khi rửa sạch được đem đi khử trùngbằng cách sấy ở nhiệt độ 160 – 170oC trong 1,5 - 2 giờ Các dụng cụ để đựng môitrường nuôi cấy vi sinh vật cũng được khử trùng bằng sức nóng khô ở nhiệt độ dưới

180oC

c) Quy trình

- Cấy mẫu: dùng pipet vô trùng chuyển 1 ml dung dịch mẫu vào giữa đĩapetri vô trùng Tương ứng với mỗi mẫu, cấy ít nhất 2 đĩa (tức là thực hiện 2 lần lặplại) Sau khi cấy, đổ vào mỗi đĩa 10 - 15 ml môi trường nuôi cấy (môi trường Endo)

đã được đun chảy và ổn định ở 45oC Trộn điều dịch mẫu với môi trường bằng cáchxoay tròn đĩa petri xuôi và ngược chiều kim đồng hồ, mỗi chiều 3 - 5 lần ngay saukhi đổ môi trường Đặt các đĩa trên mặt phẳng ngang cho thạch đông đặc

- Nuôi ủ: các đĩa được lật ngược và ủ trong 24 - 48 giờ ở 37oC

d) Kết quả

Có thể dùng mắt thường để đếm tất cả số khuẩn lạc xuất hiện trên các đĩasau khi ủ (chỉ chọn các đĩa có số khuẩn lạc dưới 150 để đếm) Hiệu suất diệt khuẩnđược tính theo công thức sau:

 = 1 2

1

N N N

  100%

Trong đó:  là phần trăm số vi khuẩn bị khử

N1 là số vi khuẩn sống sót từ mẫu đối chứng

N2 là số vi khuẩn sống sót từ mẫu kiểm tra

2.4 Đánh giá khả năng chống nấm mốc của keo Ag nano

Để khảo sát khả năng chống nấm mốc của keo nano Ag, chuẩn bị 3 mẫubánh mì:

- Một mẫu bánh mì thường

- Một mẫu bánh mì được tẩm dung dịch AgNO3 0,5 mM

- Một mẫu bánh mì được tẩm keo nano Ag

Bảo quản 3 mẫu bánh mì này trong cùng điều kiện và theo dõi sự lên mốcsau 6 ngày (hạn sử dụng của sản phẩm được ghi trên bao bì là 6 ngày)