Nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica dùng làm chất kháng khuẩn bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60

Ngày nay, khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi do đối tượng nghiên cứu là vật liệu có kích thước trong khoảng 0,1- 100 nm và những tính chất mới

TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ KHOA HỌC

: Hiệu quả diệt khuẩn, %

Co-60: Bức xạ gamma Cobalt-60

max: Bước sóng hấp thụ quang phổ UV-Vis cực đại

Dbh: Liều xạ chuyển hóa bão hòa (Ag+ Ag0), kGy

E.coli: Vi khuẩn gram (-) Escherichia coli

KH&CNNN: Khoa học và công nghệ nano

LB: Luria-Bertani, môi trường nuôi cấy vi khuẩn

nm: Nano mét = 10-9 mét

OD: Mật độ quang phổ UV-Vis

ppm: Nồng độ một phần triệu (part per million)

S.aureus: Vi khuẩn gram (+) Staphylococcus aureus

SiO2: Silica

t (nm): Kích thước tinh thể trung bình của hạt bạc nano

VLNN: Vật liệu nano

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II

TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ KHOA HỌC III MỤC LỤC IV

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 4

TỔNGQUAN 4

1.1 Giới thiệu vật liệu nano: 4

1.1.1 Tính chất chung của vật liệu nano 4

1.1.2 Phân loại vật liệu nano 7

1.2 Hạt nano kim loại 8

1.2.1 Tính chất của hạt nano kim loại 9

1.2.2 Chế tạo hạt nano kim loại 11

1.2.2.1 Phương pháp ăn mòn laser 12

1.2.2.2 Phương pháp khử hóa học 13

1.2.2.4 Phương pháp khử hóa lý 13

1.2.2.5 Phương pháp khử vật lý 14

1.3 Ứng dụng của vật liệu nano 14

1.3.1 Ứng dụng của vật liệu nano nói chung 14

1.3.2 Ứng dụng của bạc nano và tính chất kháng khuấn 16

1.3.2.1 Ứng dụng của bạc nano 16

1.3.3.2 Tính chất kháng khuấn 17

1.4 Giới thiệu sơ lược về công nghệ bức xạ 29

1.4.1 Một số khái niệm và định nghĩa 29

1.4.2 Công nghệ bức xạ và các lĩnh vực bức xạ 30

1.4.3 Nguồn bức xạ 31

1.4.4 Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình biến tính bức xạ 31

1.4.4.1 Thuyết tự do về sự phân ly bức xạ nước 31

1.4.4.2 Các sản phẩm phân ly bức xạ nước và tính chất của chúng 33

1.4.4.3 Cơ chế 34

1.5 Silica (Silic dioxide - SiO2) 38

1.5.1 Giới thiệu chung về SiO2 38

1.5.2 Cấu trúc tinh thể SiO2 38

1.5.3 Tính chất của SiO2 39

1.5.4 Ứng dụng SiO2 40

CHƯƠNG 2 42

NGHIÊNCỨU-THỰCNGHIỆM 42

2.1 Nguyên vật liệu, hóa chất, thiết bị và dụng cụ 42

2.1.1 Nguyên vật liệu, hóa chất 42

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ 42

2.2 Phương pháp 43

2.2.1 Chế tạo Ag nano/SiO2 bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 43

2.2.2 Xác định các đặc trưng tính chất của Ag nano/SiO2 44

2.2.2.1 Đo phổ UV-Vis 44

2.2.2.2 Tạo mẫu Ag nano/SiO2 dạng bột 45

2.2.2.3 Chụp ảnh TEM 45

2.2.2.4 Đo phổ XRD 45

2.2.2.5 Xác định hàm lượng bạc trong mẫu 45

2.2.2.6 Khảo sát độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn 46

2.2.2.7 Khảo sát hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2 46

2.2.2.8 Đánh giá khả năng kháng nấm Aspergillus niger var Tieghn của sơn đã được pha trộn với Ag nano/SiO2 48

CHƯƠNG 3 50

KẾTQUẢVÀBÀNLUẬN 50

3.1 Đặc trưng phổ hấp thụ UV-Vis của Ag nano/SiO2 sau chiếu xạ 50

3.2 Ảnh hưởng của nồng độ Ag+ đến kích thước hạt Ag nano 53

3.3 Khảo sát kích thước hạt và cấu trúc đặc trưng của Ag nano 55

3.4 Hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2 59

3.5 Độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn 62

3.6 Hoạt tính kháng nấm Aspergillus niger var Tieghn của sơn đã được pha trộn với Ag nano/SiO2 64

3.6.1 Khảo sát ở điều kiện nhiệt độ thường nhiều hơi ẩm 64

3.6.2 Khảo sát trong điều kiện phòng thí nghiệm 65

KẾT LUẬN 67

MỘT SỐ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC BÀI BÁO, BÁO CÁO KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN VĂN 74

MỞ ĐẦU

Khoa học và công nghệ nano là lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng hiện nay Những thành tựu trong nghiên cứu và công nghệ nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, lý, hóa, sinh học, y dược, môi trường, [36,31] Ý tưởng đầu tiên về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử Tuy nhiên, thuật ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng khi đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của vi mạch điện tử [35]

Vật liệu ở thang đo nano bao gồm lá nano, sợi, ống nano và hạt nano có những tính chất đặc biệt do sự thu nhỏ kích thước và tăng diện tích bề mặt Một trong số

đó, bạc kim loại kích thước nano thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu Bạc nano

có vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất thủy tinh, gốm sứ, xúc tác và xử lý các vấn đề nhiễm khuẩn do bạc nano có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm cao [30, 47] Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu chế tạo và ứng dụng bạc nano được thực hiện

Một số phương pháp được áp dụng để chế tạo bạc nano như khử hóa học, khử quang học, sol-gel, chiếu xạ, [16-18, 21, 26] Phương pháp chiếu xạ được sử dụng khá phổ biến do sản phẩm của quá trình phân ly bức xạ nước như electron solvat (e-

aq) và gốc tự do hydro (H) là tác nhân khử mạnh, khử bạc ion thành bạc nguyên tử [39] Trong quá trình chế tạo cần sử dụng các chất ổn định để bạc tạo thành ở kích thước nano và hạn chế quá trình kết tụ Nhiều nghiên cứu sử dụng polyme polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl pyrrolidon (PVP), chitosan (CTS), alginat, polyacrylate, [6, 13, 32, 39] làm chất ổn định hạt bạc nano Sản phẩm tạo thành là

dung dịch keo bạc nano ứng dụng làm nước rửa vết thương, khẩu trang y tế, dung dịch khử mùi cơ thể [35]

Mặt khác, một số công trình nghiên cứu sử dụng vật liệu vô cơ như silica (SiO2), zeolit, titannia (TiO2), alumina (Al2O3), [31, 17, 50] để chế tạo bạc nano ứng dụng trong các lĩnh vực xúc tác, cảm biến, tán xạ Raman, xử lý nước [17, 18,

28, 44] Trong đó SiO2 được sử dụng phổ biến để gắn bạc nano do SiO2 có tính bền nhiệt, bền hóa học, tạo hệ phân tán trong suốt, kháng kết khối [31, 15, 50]

Nghiên cứu chế tạo bạc nano kim loại gắn trên hạt SiO2 hầu như vẫn còn là mới ở Việt nam Xuất phát từ những vấn đề như đã trình bày ở trên, cùng với mong muốn tạo sản phẩm Ag nano gắn trên SiO2 có thể pha vào sơn nước ứng dụng trong các môi trường có nhiều vi khuẩn, vi nấm gây bệnh như bệnh viện, trường học, trạm xe công cộng, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “ Nghiên cứu chế tạo bạc nano gắn trên silica dùng làm chất kháng khuẩn bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60”

MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

1 Mục tiêu: Ứng dụng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 để chế tạo bạc nano

gắn trên SiO2 (Ag nano/SiO2) để làm hoạt chất kháng nấm và vi khuẩn dùng trong sơn nước

2 Nội dung nghiên cứu:

- Chế tạo mẫu Ag nano/SiO2

- Khảo sát liều xạ chuyển hóa bão hòa Ag+ → Ag0 và cấu trúc đặc trưng của

Ag nano bằng phương pháp phổ UV-Vis, TEM và XRD

- Đánh giá hoạt tính kháng nấm của Ag nano/SiO2

- Khảo sát độ ổn định kích thước của Ag nano/SiO2 khi phối trộn trong sơn nước bằng chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) theo thời gian

- Đánh giá hoạt tính kháng nấm của sơn đã được pha trộn với Ag nano/SiO2

bằng phương pháp gây độc môi trường nuôi cấy và phun dịch sinh khối nấm lên màng sơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu vật liệu nano:

1.1.1 Tính chất chung của vật liệu nano

Thuật ngữ nano (có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, nano nghĩa là bé nhỏ) dùng

để chỉ 1 phần tỷ của vật nào đó Chẳng hạn một nanomét là một phần tỷ của mét,

nó xấp xỉ kích cỡ của 10 nguyên tử hydro [8]

Công nghệ nano (nano technology) là kỹ thuật và khoa học thao tác, phân bố

lại từng nguyên tử, phân tử để tạo nên vật liệu, thiết bị, hệ thống hữu ích [9]

Khoa học nano (nano science) là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện

tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn [9]

Vật liệu nano: là đối tượng nghiên cứu của hai lĩnh vực khoa học nano và

công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau [9]

Ngày nay, khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ được sử dụng rộng rãi do đối tượng nghiên cứu là vật liệu có kích thước trong khoảng 0,1-

100 nm và những tính chất mới khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối đã được nghiên cứu trước đó Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu khối do hai hiệu ứng sau đây:

các hiệu ứng liên quan đến bề mặt của vật liệu trở nên quan trọng, làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối Ta xét ví

dụ sau đây : Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt của vật liệu được tạo thành

từ các hạt nano hình cầu, n là tổng số nguyên tử thì ta có mối liên hệ như sau

ns=4n(2/3) Gọi f là tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử khi đó f

= ns/n =4n(2/3)/n = 4n-1/3 = 4 r0/r, trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là bán kính của hạt nano Như vậy nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số bề mặt sẽ tăng lên (f tăng) Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu

ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo

một hàm liên tục Bảng 1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu Với hạt nano hình cầu có đường kính 5 nm thì số nguyên tử tương ứng là 4.000 nguyên tử, tỉ số f là 40%, năng lượng bề mặt là 8,16 x1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng tổng là 14,3%, tuy nhiên các giá trị vật lý sẽ giảm đi một nửa nếu đường kính của hạt nano tăng gấp hai lần, nghĩa là đường kính hạt nano bằng

10 nm [9]

Bảng 1.1 : Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [9]

Đường kính

hạt nano

(nm)

Số nguyên

tử

Tỷ số nguyên tử

trên bề mặt (%)

Năng lượng bề mặt (erg/mol)

Năng lượng bề mặt/ Năng lượng tổng (%)

ta thường nghe đến ngày nay Ở vật liệu khối, kích thước của vật liệu lớn hơn rất nhiều lần độ dài đặc trưng của vật liệu, điều này đã qui định những tính chất vật lý của vật liệu như chúng ta đã biết Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng của vật liệu thì tính chất vật lý của vật liệu có những thay đổi đột ngột và chúng khác hẳn so với những tính chất mà chúng ta đã biết trước

đó Trong trường hợp này không có sự chuyển tiếp từ vật liệu khối đến vật liệu nano Ví dụ, vật liệu sắt từ được hình thành từ những đô men, trong lòng một đô men, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên tử ở một đô men khác Giữa hai đô

men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách đô men Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100 nm Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách đô men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng của các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác Theo nhiều nhà khoa học, thuật ngữ nano chỉ áp dụng cho những vật có kích thước trong khoảng từ 0,1 (kích thước nguyên tử hydro) đến 100 nm (kích thước của virus) Bảng 2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng và một số tính chất của vật liệu [9, 3]

Bảng 1.2: Độ dài đặc trưng của một số tính chất của vật liệu [9]

Điện Hiệu ứng đường ngầm 1-10

Từ Giới hạn siêu thuận từ 5-100

Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10

Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10

1.1.2 Phân loại vật liệu nano

Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thường hay làm lẫn lộn các khái niệm Sau đây là một vài cách phân loại thường dùng

1.1.2.1 Phân loại theo hình dáng của vật liệu:

Người ta đặt tên số chiều không bị giới hạn ở kích thước nano

 Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ đám nano, hạt nano

 Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví

dụ dây nano, ống nano

 Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví

dụ màng mỏng

 Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số chiều bị giới hạn ở kích thước nano Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano 3 chiều, dây nano là vật liệu nano 2 chiều và màng mỏng là vật liệu nano 1 chiều [3]

1.1.2.2 Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano

 Vật liệu nano kim loại

 Vật liệu nano bán dẫn

 Vật liệu nano từ tính

 Vật liệu nano sinh học

Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới Ví dụ, đối tượng chính của chúng ta sau đây là "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" được phân loại theo hình dáng, "kim loại" được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả

"từ tính" và "sinh học" đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất [3]

1.2 Hạt nano kim loại

Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thước nano được tạo thành từ các kim loại Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng, nano bạc được sử dụng từ hàng nghìn năm nay Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước công nguyên

cách người ta nhìn nó Nó có màu xanh lục khi nhìn ánh sáng phản xạ trên cốc và

có màu đỏ khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc và xuyên qua thành cốc Các phép phân tích ngày nay cho thấy trong chiếc cốc đó có các hạt nano vàng và bạc có kích thước 70 nm và với tỉ phần mol là 14:1 Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu được các tính chất thú vị của hạt nano Một trong những tính chất đó là màu sắc của hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của hạt thay đổi Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do có hấp thụ quang học ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học thú vị như trên Ngoài tính chất trên, các hạt nano bạc còn được biết có khả năng diệt khuẩn Hàng ngàn năm trước người ta thấy sữa

để trong các bình bạc thì để được lâu hơn Ngày nay người ta biết đó là do bạc đã tác động lên enzym liên quan đến quá trình hô hấp của các sinh vật đơn bào [9, 3, 19]

1.2.1 Tính chất của hạt nano kim loại

Hạt kim loại nano là một khái niệm để chỉ các hạt kim loại có kích thước nano Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo

và khảo sát các tính chất đặc biệt của hạt nano như tính chất quang, từ, nhiệt Một trong những tính chất đó là màu sắc hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng hạt [9, 46] Ví dụ, ánh sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng Tuy nhiên, ánh sáng truyền qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang

1.2.1.1 Tính chất quang

Tính chất quang của các hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau được người La Mã sử dụng từ hàng năm trước Các hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho các hạt bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dạng, độ lớn của hạt nano và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hưởng đến tính chất quang Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [9]

1.2.1.2 Tính chất điện

Tính dẫn điện của kim loại rất tốt hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật

độ điện tử tự do cao trong đó Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ dao động với nhiệt của nút mạng Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở kim loại Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính Khi kích

trúc Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện

tử, C và R là điện dung và điện trở kháng nối hạt nano với điện cực [9]

1.2.1.3 Tính chất từ

Các kim loại quý như vàng, bạc có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh Các kim loại có tính sắt từ trạng thái khối như kim loại chuyển tiếp sắt, coban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng không [9, 3]

1.2.1.4 Tính chất nhiệt

Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có số phối trí nhỏ hơn số phối vị của nguyên tử bên trong nên chúng có thể

dễ dàng tái sắp xếp để có những trạng thái khác hơn Như vậy, nếu kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 5000, kích thước 6 nm có Tm = 950 oC [9]

1.2.2 Chế tạo hạt nano kim loại

Vật liệu nano chủ yếu được tiếp cận và chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

 Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu có kích thước nano

từ vật liệu khối ban đầu, hay là tạo hạt có kích thước nano từ hạt có kích thước lớn hơn bằng nguyên lý sau: dùng kỹ thuật nghiền và làm biến dạng vật liệu, để biến

là một phương pháp khá đơn giản, dễ làm và có thể tạo được số lượng sản phẩm lớn, nhưng sản phẩm thu được có độ tinh khiết và độ đồng nhất không cao, chất lượng vật liệu nano còn nhiều hạn chế Trong kỹ thuật nghiền vật liệu được chuẩn

bị ở dạng bột sẽ được trộn lẫn với những viên bi được làm từ những vật liệu rất cứng và cùng để trong một cái cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hay là nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh) Trong kỹ thuật này các viên

bi cứng sẽ va chạm với nhau và phá vỡ vật liệu bột tới kích thước nano, kết quả là

ta thu được vật liệu nano không chiều (hạt nano)

 Phương pháp từ dưới lên hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc từ các ion Phương pháp này được hình thành và phát triển rất mạnh mẽ nhờ tính linh động của phương pháp và chất lượng của sản phẩm thu được có nhiều ưu điểm hơn

so với các phương pháp khác Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng ngày nay như bình sữa nano, máy giặt, máy điều hòa, màn hình LCD, hay tủ lạnh đều được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể dùng phương pháp vật lý, hóa học hay là sự kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý

Các hạt nano kim loại như vàng, bạc, bạch kim, được chế tạo chủ yếu theo kiểu “từ dưới lên” theo nguyên tắc các ion kim loại như Ag+, Au3+, Pt2+ bị khử thành dạng nguyên tử Ag0 và Au0, Pt0 Các nguyên tử này sẽ liên kết với nhau tạo thành tụ hợp nhỏ rồi phát triển thành hạt nano [4]

1.2.2.1 Phương pháp ăn mòn laser

Đây là phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong dung dịch có chứa chất hoạt hoá bề mặt Sử dụng chùm tia laser có bước sóng

532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm Dưới tác dụng của chùm tia laser, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hoá bề mặt CnH2n+1SO4Na (n = 8, 10, 12, 14) với nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M [8]

1.2.2.2 Phương pháp khử hóa học

Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại Thông thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt Đây là phương pháp từ dưới lên Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3 Tác nhân khử khử ion kim loại Ag+, Au3+ thành Ag0, Au0 ở đây là các chất hóa học như citric acid, vitamin C, sodium borohydride NaBH4, ethanol (cồn), ethylene glycol (phương pháp sử dụng các nhóm rượu đa chức như thế này còn có một cái tên khác là phương pháp polyol) [18, 14] 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 chất hoạt hóa bề mặt Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử Phương pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng Các hạt nano Ag, Au, Pt, Pd, Rh… với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương pháp này [49]

nano sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano [3]

1.2.2.5 Phương pháp khử vật lý

Là phương pháp dùng các tác nhân vật lý như điện tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý, 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 nguyên tử kim loại Ví dụ như người ta dùng chùm laser xung có bước sóng

500 nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ chiếu vào dung dịch có chứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và sodium dodecyl sulfat (SDS) như là chất

hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc [12, 37]

Trong công trình này, chúng tôi sử dụng phương pháp chiếu xạ gamma để chế tạo bạc nano vì phương pháp này có một số ưu điểm như sau [1, 2, 46]:

 Tiết kiệm năng lượng, không gian và nguyên liệu

 Phản ứng có thể thực hiện ở nhiệt độ thường

 Vật liệu có chất lượng cao

 Không sử dụng các chất khử độc hại, đáp ứng nhu cầu bảo vệ môi trường

 Tác nhân khử tự sinh ra và phát triển đồng đều trong khi chiếu xạ dung dịch

 Có thể kiểm soát quá trình phản ứng

 Có thể phát triển sản xuất trên quy mô lớn

 Có thể sử dụng những chất ổn định không bền với nhiệt

1.3 Ứng dụng của vật liệu nano

Những tính chất của vật chất nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano có thể được quan sát và khảo sát ở quy mô vi mô hoặc vĩ mô và được ứng dụng

để phát triển các nguyên liệu, dụng cụ với những chức năng và tính năng mới Nhiều lĩnh vực của công nghệ nano vẫn còn trong giai đoạn phát triển ban đầu, nhưng một

số ứng dụng đã được thương mại hoá một cách thành công, nhất là trong lĩnh vực của vật liệu polyme Công nghệ nano cũng đã xâm nhập vào ngành sản xuất vật liệu công nghiệp Một số ứng dụng cụ thể như sau:

Y dược là thị trường lớn nhất tiêu thụ vật liệu nano, các ứng dụng hạt nano để dẫn truyền thuốc (drug delivery) đến một vị trí nào đó trên cơ thể là một trong những ví dụ về ứng dụng của hạt nano Trong ứng dụng này, thuốc được liên kết với hạt nano có tính chất từ, bằng cách điều khiển từ trường để hạt nano cố định ở một vị trí trong một thời gian đủ dài để thuốc có thể khuyếch tán vào các cơ quan mong muốn

Bằng cách kết hợp các chất độn nano tính năng cao, ví dụ bentonit cỡ nano đã biến đổi bề mặt, công nghệ nano cho phép sản xuất các vật liệu có tính ổn định cơ học ở nồng độ chất độn rất thấp Điều này tạo ra lợi thế rõ ràng về mặt trọng lượng, nhất là khi áp dụng trong sản xuất các phụ tùng ô tô Khác với các chất độn thông thường, nếu sử dụng chất độn bentonit cỡ nano với lượng rất nhỏ thì có thể tăng tính ổn định nhiệt của polyamit thêm khoảng 50 oC Nếu chỉ bổ sung các chất độn nano ở mức 2% trọng lượng của vật liệu composit thì có thể giảm 50% độ thẩm thấu đối với oxy, CO2 và hơi nước Kích thước hạt đặc biệt mịn của các chất độn bentonit cỡ nano, cho phép tạo ra các lớp vật liệu silicat vô cơ 3 chiều, trong chất nền hữu cơ với hàm lượng chất độn chỉ ở mức vài phần trăm trọng lượng Khi cháy, mạng khoáng chất vô cơ này góp phần tạo thành các vách cứng, nhờ đó ngăn lửa lan rộng Tính chất này được áp dụng để sản xuất các vật liệu có tính năng chống cháy

Các loại bột màu đặc biệt với khả năng hấp thụ cao (ví dụ canxi cacbonat tự nhiên, nghiền mịn với các biến đổi đặc biệt trong cấu trúc bề mặt) đã được phát triển cho các loại sơn đặc biệt Ở đây người ta áp dụng phương pháp tạo hoạt tính nano trên bề mặt các hạt cỡ micro Những loại bột màu đặc biệt này có tốc độ hấp thụ nhanh hơn và dung tích lỏng lớn gấp 10 lần so với bột màu đồng nhất thông thường Những tính chất này rất có lợi đối với nhiều ứng dụng đòi hỏi tính hấp thụ chất lỏng cao, ví dụ các loại mực in

Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong sinh học vì kích thước nano của vật liệu so sánh được với kích thước của tế bào (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm), gen (rộng 2 nm và dài 10-100 nm) Với kích thước nhỏ bé, cộng với việc “ngụy trang” giống như các thực thể sinh học khác và có thể thâm nhập vào các tế bào hoặc virus Ứng dụng của vật liệu từ nano trong sinh học thì có rất nhiều, những ứng dụng đang được nghiên cứu sôi nổi và có triển vọng phát triển đó

là phân tách tế bào (magnetic cell separation), dẫn truyền thuốc (drug delivery) và tăng độ sắc nét hình ảnh trong cộng hưởng từ hạt nhân (MRI contrast enhancement) Vật liệu nano dùng trong các trường hợp này là các hạt nano [9, 8, 3]

1.3.2 Ứng dụng của bạc nano và tính chất kháng khuẩn

1.3.2.1 Ứng dụng của bạc nano

Bạc là một trong những kim loại cổ xưa nhất (tên La tinh argentum), ký hiệu

Ag, số nguyên tử 47, nguyên tử lượng 107,87, thuộc nhóm IB trong bảng hệ thống tuần hoàn, cấu hình electron là [Kr]4d105s1, hoá trị +1, +2, phổ biến là hoá trị +1, bán kính nguyên tử 1,442Ao (0,1 nm), thế ion hoá (Ag  Ag+) = 7,576 eV, thế điện cực chuẩn Eo( Ag+ + e-  Ago) = -1,8V [5]

Bạc nano là một trong những chất được tập trung nghiên cứu do khả năng kháng khuẩn rất tốt, thân thiện môi trường, tương hợp sinh học…[32] Với sự phát

triển của công nghệ nano, các nhà khoa học hướng tới việc sử dụng các hạt bạc có kích thước cực nhỏ để diệt khuẩn Sử dụng công nghệ nano sẽ làm tăng đặc tính sát khuẩn, khử trùng của bạc do các hạt nano bạc có kích thước từ 1-100 nm dễ dàng xâm nhập vào các tế bào làm ức chế sự sinh trưởng và tiêu diệt vi khuẩn [41] Thực

tế đã chứng minh bạc nano có khả năng kháng 650 loài gồm vi khuẩn, virus và vi nấm [6]

Samsung đã sử dụng bạc nano với vai trò là tác nhân sát khuẩn, khử mùi trong các thiết bị dân dụng như: máy giặt, tủ lạnh và máy điều hoà không khí… để bảo vệ sức khỏe cho người sử dụng

Sản phẩm dạng kem (mỹ phẩm) chứa bạc nano như Flamazine, Silvazine được sử dụng để thoa vết thương bỏng nặng Hay các sản phẩm khác như nước khử mùi hôi cơ thể Shiseido, quần áo thể dục thể thao đã qua xử lý nano bạc, băng gạc băng bó vết thương [5, 9]

Phổ biến nhất là các sản phẩm liên quan đến tiêu dùng, do bạc nano giúp ngăn ngừa chứng tiêu chảy, hạn chế hư hỏng thức ăn Các sản phẩm bán chạy trên thị trường liên quan đến trẻ em - lứa tuổi dễ mắc tiêu chảy - như bình sữa, ca uống nước, cái đánh tưa lưỡi, cọ rửa bình sữa, khay đựng thức ăn Nano Silver Thực phẩm đựng trong sản phẩm này lâu hỏng hơn, việc vệ sinh cũng đơn giản hơn nhất

là với bình sữa, so với trước đây thường khó rửa sạch hoàn toàn, gây ra quá trình lên men tạp khuẩn Haijun Yu, Xiaoyi Yu và các đồng sự [48] đã khảo sát khả năng kháng vi khuẩn S.aureus và E.coli của hydrogel PVA-PVP chứa và không chứa bạc nano Kết quả cho thấy mẫu chứa 1% (wt) bạc nano kháng khuẩn tốt hơn mẫu có 0,2% bạc nano Như dự đoán, mẫu hydrogel không có bạc nano hoàn toàn không có khả năng kháng khuẩn

1.3.3.2 Tính chất kháng khuấn

 Hoạt tính kháng khuẩn của bạc nano đã được nghiên cứu và chứng minh

Theo nghiên cứu của Cho et al [11], bạc nano 10 ppm ổn định trong PVP thể

hiện rõ tính kháng khuẩn Vòng kháng khuẩn S aureus và E coli (mật độ 107-108 CFU/ml) của keo bạc nano ổn định trong PVP lần lượt là 9 và 4 mm, xem hình 1.1

Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của bạc nano đối với S aureus và E coli là 5 ppm

và 10 ppm S aureus và E coli hoàn toàn bị ức chế tại nồng độ bạc nano 50 và 100 ppm Các bề mặt tế bào S aureus và E coli đã bị bạc nano làm phá vỡ

Hình 1.1: Hoạt tính kháng khuẩn của bạc nano ổn định trong PVP, nghiên cứu trên

S aureus và E coli [11]

Hình 1.2: Ảnh TEM của S aureus và E coli Tế bào bình thường (A) và tế bào (B)

nuôi trên Agar chứa dung dịch bạc nano (10 ppm) [11]

Lee et al [24], đã khảo sát khả năng kháng khuẩn của 2 mẫu keo bạc nano với kích thước hạt bạc lần lượt là 2-3 nm và 30 nm 1ml dung dịch môi trường vi khuẩn mật độ 1,2-1,3 × 105 CFU/ml được cho tiếp xúc 5, 10 và 30 phút với 5ml dung dịch keo bạc nồng độ 3ppm Kết quả trên bảng cho thấy dung dịch keo bạc với đường kính hạt 2-3 nm có hiệu quả kháng khuẩn (99,99%), 30 nm đạt hiệu suất kháng

khuẩn 31,25% đối với E coli và 47,65% đối với S aureus Tác giả cho rằng keo

bạc với hạt bạc kích thước nhỏ hơn thì có tính kháng khuẩn tốt hơn

Bảng 1.3: Hiệu ứng kháng khuẩn của dung dịch keo bạc nano [24]

Hiệu suất kháng khuẩn (%)

Số khuẩn lạc

Hiệu suất kháng khuẩn (%)

S

aureus

Mẫu không: 1,2 × 105 CFU/ml

30 1,7 × 105 8,9 × 104 47,65 <10 99,99

KPH, không phát hiện

 Hoạt tính kháng khuẩn của bạc nano liên quan với nhiều yếu tố

Sondi et al [42] cho rằng sự ức chế vi khuẩn phụ thuộc vào nồng độ bạc nano cũng như CFU vi khuẩn được sử dụng trong các thử nghiệm Tác giả khảo sát sự

thay đổi OD của môi trường chứa vi khuẩn E coli (mật độ 105

CFU/ml) khi bổ sung 10, 50, và 100 μg cm-3 bạc nano (kích thước hạt trung bình 12,3 nm, độ lệch chuẩn 4,2 nm) Tại tất cả các nồng độ nghiên cứu, bạc nano làm giảm tốc độ tăng

trưởng của E coli, nồng độ bạc nano tăng thì hiệu quả ức chế càng tăng Nồng độ

50-60 μg cm-3 gây ức chế 100% tốc độ tăng trưởng vi khuẩn Khả năng gây ức chế tốc độ tăng trưởng vi khuẩn phụ thuộc vào số lượng các tế bào áp dụng trong thử nghiệm Nếu sử dụng 104 CFU/ml, bạc nano nồng độ 20 μg cm-3 ngăn chặn hoàn toàn sự tăng trưởng của vi khuẩn

Hình 1.3: Đường cong tăng trưởng của 107

CFU/ml E coli trong môi trường chứa

các nồng độ bạc nano khác nhau 0 (□), 10 (●), 50 (▲), và 100 (■) μg cm−3 [42]

Hình 1.4: Phân bố kích thước, từ nghiên cứu ảnh HAADF (high angle annular dark

field), của bạc nano tương tác trực tiếp với E coli [29]

Morones et al [29] công bố rằng đặc tính kháng khuẩn của bạc nano phụ thuộc vào kích cỡ hạt Hạt bạc sử dụng trong thí nghiệm có kích thước trung bình 16 nm,

độ lệch chuẩn 8 nm nhưng chỉ những hạt kích thước từ 1-10 nm (chiếm 0,093% số hạt) thực sự tương tác với vi khuẩn Kích thước trung bình của các hạt này đo được

~5 nm, độ lệch chuẩn 2 nm

Công trình nghiên cứu của Pal et al [34] chứng minh rằng tương tác của bạc

nano với vi khuẩn E coli phụ thuộc vào hình dạng hạt Bạc nano dạng hình cầu và

hình tam giác kháng khuẩn tốt hơn so với so với dạng hình que (hình 1.5)

Hình 1.5: Hoạt tính kháng khuẩn của bạc nano với các hình dạng khác nhau [34]

(A), Đĩa petri chứa E coli 107

CFU/ml và bổ sung các dạng bạc nano khác nhau với khối lượng lần lượt là (a) 1, (b) 12,5, (c) 50, và (d) 100 µg (B) Mối quan hệ

giữa số khuẩn lạc E coli và nồng độ bạc nano

Các nghiên cứu khác lại cho thấy khả năng ức chế vi khuẩn của bạc nano phụ thuộc vào loại vi khuẩn Nhóm Ruparelia et al [38] nghiên cứu so sánh hiệu quả

kháng khuẩn của bạc nano (~3 nm) trên 4 chủng E coli, 1 chủng B subtilis, và ba chủng S aureus Hiệu lực kháng khuẩn được đánh giá theo phương pháp vòng

kháng khuẩn Kết quả (bảng 1.4) cho thấy bạc nano có hoạt tính kháng khuẩn đối

với E coli, B subtilis và S aureus Tuy nhiên, B Subtilis nhạy cảm với bạc nano

hơn 2 nhóm vi khuẩn còn lại Nhóm Morones et al [29] công bố rằng nồng độ bạc

nano ức chế tốc độ tăng trưởng tốt hơn đối với vi khuẩn P aeruginosa và V cholera so với E coli và S typhus Các nhóm nghiên cứu khác [20, 42] lại cho rằng hoạt tính kháng khuẩn của bạc nano đạt hiệu quả đối với nấm men và E coli, nhưng không hiệu quả trên S aureus

Bảng 1.4: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) (µg/mL) và nồng độ diệt khuẩn tối thiểu

(MBC) (µg/mL) của keo bạc nano đối với các vi khuẩn khác nhau [38]

Staphylococcus aureus NCIM 2079 120 160

Staphylococcus aureus NCIM 5021 120 160

Staphylococcus aureus NCIM 5022 120 160

 Một số cách giải thích cơ chế kháng khuẩn của bạc nano

Ag nano có hoạt tính kháng cao đối với nhiều loại vi khuẩn, nấm và vi rút Mặc dù cơ chế kháng khuẩn vẫn chưa được giải thích một cách chi tiết, tuy nhiên nhiều tác giả cho rằng hoạt tính kháng khuẩn của Ag nano có thể là do Ag nano tương tác với màng vi khuẩn gây ra sự thay đổi và phá hủy cấu trúc màng tế bào dẫn đến làm chết tế bào vi khuẩn [22, 35]

Hình 1.6: Minh họa cơ chế kháng khuẩn của Ag nano [25]

Cơ chế kháng khuẩn của bạc nano được minh họa như hình 1.6 Hạt Ag nano

có thể tương tác trực tiếp với tế bào vi khuẩn gây ra sự phá vỡ màng tế bào, oxi hoá thành phần tế bào, tạo ra các gốc thứ cấp phá hủy tế bào Ag+ tương tác với nhóm thiol của protein làm bất hoạt quá trình hô hấp enzyme, ngăn cản sự tái tạo DNA làm ảnh hướng đến cấu trúc và độ thấm của màng tế bào Tính chất kháng khuẩn của hợp chất Ag và Ag nano được ứng dụng trong thiết bị kháng nhiễm, dụng cụ gia đình và xử lý nước

Tính chất hoá lý có vai trò quan trọng trong hoạt tính kháng khuẩn của Ag nano Hạt Ag nano trong khoảng 1-10 nm có thể ức chế vi rút, ngăn vi rút tấn công

tế bào chủ bằng cách kết hợp glycoprotein gp120 của vi rút Hạt Ag nano hình tam giác có độc tính đối với vi khuẩn hơn so với hạt Ag nano dạng hình que, hình cầu hoặc Ag+ [25]

Theo một nghiên cứu khác, hoạt tính kháng khuẩn của bạc nano được giải thích là do sự tương tác của chúng với bề mặt của vi khuẩn [11] Từ kết quả nghiên cứu phổ EDAX (hình 1.7) cho thấy bạc nano đã đính vào màng của các tế bào vi

Sự phá vỡ màng tế bào

Tạo gốc oxi phản ứng (ROS)

Sự gián đoạn chuyển điện tử

Phá

hủy

DNA

Phóng thích ion

Oxi hoá protein

tạo nên các “pit” trên màng tế bào, làm thay đổi cấu trúc của màng Các nhóm nghiên cứu [20, 42] đã thống nhất rằng màng tế bào với hình thái như vậy sẽ dẫn đến gia tăng đáng kể tính thấm Tế bào mất khả năng kiểm soát quá trình vận chuyển qua màng tế bào, thất thoát các lipoppolysaccarit và protein màng, cuối cùng, dẫn đến chết Theo nghiên cứu khác [29], hạt nano bạc còn thâm nhập vào bên trong vi khuẩn làm cho hiệu quả diệt khuẩn của bạc nano tăng

Hình 1.7: Phổ EDAX của E coli đối chứng (a) và E coli được xử lí với 50 μg cm-3

bạc nano trong môi trường LB lỏng, thời gian 4 giờ (b) [42]

Hình 1.8: Ảnh SEM của tế bào E coli (a) ban đầu, và (b) sau khi xử lí với với 50

μg cm-3

bạc nano trong môi trường LB dạng lỏng, thời gian 4 giờ [42]

Nhóm nghiên cứu Kim et al [20] đã đo phổ ESR của bạc nano Trong hình 1.9, peak m1 và m2 là peak đối chứng của chất chuẩn mangan, và peak ở giữa (mT: 336,337) cho biết sự tồn tại của gốc tự do từ bạc nano Sự hình thành gốc tự do từ bạc nano có thể là nguyên nhân của hiệu quả kháng khuẩn Các gốc tự do, phát sinh một cách không kiểm soát được, có thể tấn công lipid màng và sau đó phá vỡ chức năng của màng

Để xác định mối quan hệ giữa gốc tự do và hoạt động kháng khuẩn, chất

với khả năng kháng khuẩn cảm ứng bởi bạc nano Hình 1.10 cho thấy: bạc nano và

bạc nitrat đều kháng E coli Tuy nhiên, hiệu lực đó mất đi khi bổ sung NAC; và

mẫu chỉ chứa NAC không có tính kháng khuẩn

Hình 1.9: Phổ ESR của bạc nano ở nhiệt độ phòng, m1 và m2 là peak đối chứng mangan và peak (mT: 336,337) cho biết gốc tự do phát sinh từ bạc nano [20]

Hình 1.10: Nghiên cứu so sánh sự ức chế tăng trưởng E coli của bạc nano và bạc

nitrat nồng độ 33 mM có/không bổ sung N-acetylcystein (NAC) **: khác biệt đáng

Morones et al [29] đã tổng kết rằng bạc nano kháng vi khuẩn gram âm theo 3 cách: (1) bạc nano với phạm vi kích thước 1-10 nm đính vào bề mặt màng tế bào và làm ảnh hưởng mạnh đến chức năng bình thường của tế bào, như tính thấm và sự

hô hấp; (2) bạc nano thâm nhập vào bên trong vi khuẩn và gây thêm thiệt hại do có thể tương tác với những hợp chất chứa lưu huỳnh và phot-pho như DNA; (3) bạc nano phóng thích bạc ion, làm tăng hiệu quả kháng khuẩn

1.4 Giới thiệu sơ lƣợc về công nghệ bức xạ

Hóa học bức xạ là một lĩnh vực nghiên cứu về tương tác của bức xạ ion hóa (γ,

X, dòng điện gia tốc ) lên các hệ hóa học Do năng lượng bức xạ cao nên khi đi qua môi trường vật chất làm cho nhiều hạt bị ion hóa và kích thích phát sinh ra gốc

tự do từ đó xảy ra các phản ứng hóa học theo những phương hướng khác nhau [2]

1.4.1 Một số khái niệm và định nghĩa

 Bức xạ ion hóa: bức xạ đi qua môi trường vật chất gây ra quá trình ion hóa

 Đơn vị năng lượng: electron volt (eV) là năng lượng của một electron chuyển động dưới điện thế 1V

 Sự truyền năng lượng tuyến tính (LET): LET = dE/dx, đơn vị thường dùng eV/Ao (1 Ao = 10-8cm)

 Liều hấp thụ (D): D= E/m là năng lượng bức xạ hấp thụ bởi một đơn vị vật chất, đơn vị là 1rad = 100 ergs/g chất bị chiếu xạ, đơn vị mới là gray (Gy), 1Gy = 100rad

 Suất liều hấp thụ (P): P=D/t là năng lượng hấp thụ bức xạ bởi một đơn vị vật chất trong một đơn vị thời gian Đơn vị là: rad/s, rad/h, Gy/s, min, h

 Cường độ bức xạ: Năng lượng bức xạ truyền qua đơn vị diện tích bề mặt

 Hoạt độ phóng xạ: Là số nguyên tử đồng vị phóng xạ phân rã trong một đơn vị thời gian Đơn vị là: Curie (Ci), 1Ci = 3,7x1010

phân rã/s về năng lượng bức

xạ

 Giá trị G (hiệu suất phân ly bức xạ) được tính nếu biết liều và nồng độ Đối với phản ứng hóa học bức xạ thông thường giá trị G khoảng từ 10-15 phân rã/100eV, nhưng với phản ứng dây chuyền giá trị G có thể lớn hơn [2]

1.4.2 Công nghệ bức xạ và các lĩnh vực bức xạ

Hóa học bức xạ là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu về những thay đổi hóa học, hóa lý gây ra khi bức xạ ion hóa lên vật chất Về lịch sử phát triển có thể xem điểm xuất phát từ khi khám phá ra tia X (W.C Rơn gen) và chất phóng xạ (A HBecqured) vào những năm 1930, với sự phát triển của máy phát tia X công suất cao ứng dụng cho mục đích y tế và công nghiệp đã tạo ra một loạt nguồn bức xạ mới khá phù hợp để tiến hành một loạt các thí nghiệm hóa học so với nguồn radium trước đây Sự tiện lợi của máy phát tia X công suất cao là không những có cường

độ cao, độ đâm xuyên lớn mà còn đồng đều hơn so với bức xạ hỗn hợp từ muối radium và sản phẩm phân hạch của chúng

Sau chiến tranh thế giới thứ II, các lò phản ứng hạt nhân sản xuất một lượng

đủ lớn các đồng vị Co-60, Cs-137 có thể ứng dụng trong chiếu xạ công nghiệp Khoảng từ năm 1985, hàng loạt các ứng dụng công nghiệp của quá trình bức

xạ bắt đầu phát triển như: khử trùng bức xạ, biến tính khâu mạch bức xạ vật liệu polyme [2]

Công nghệ bức xạ là sử dụng bức xạ làm nguồn năng lượng chính trong quá trình công nghiệp, CNBX hiện tại chủ yếu sử dụng nguồn bức xạ Co60 và dòng điện

tử gia tốc Ở nước ta ngoài nguồn chiếu xạ Co60 ở Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt đưa vào hoạt động từ năm 1980 đến nay đã có thêm hai nguồn chiếu xạ Co60

công nghiệp đó là trung tâm chiếu xạ Hà Nội và trung tâm chiếu xạ Tp.HCM và một số công ty khác như Sơn Sơn, An Phú

1.4.3 Nguồn bức xạ

Nguồn bức xạ được dùng thông thường nhất là nguồn gamma phát ra từ đồng

vị phóng xạ Co60 (Co60 được điều chế trong các lò phản ứng hạt nhân) và đồng vị phóng xạ Cs-137 (Cs-137 được tách từ nguồn nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng hạt nhân) và nguồn bức xạ không hạt nhân là dòng điện tử gia tốc phát ra từ máy gia tốc điện tử

Nguồn bức xạ gamma Co60 có thời gian bán hủy: 5,26 năm

Năng lượng bức xạ gamma: gồm hai tia bức xạ gamma có năng lượng tương ứng là E1 = 1,173 MeV và E2 = 1,332 MeV và năng lượng tổng cộng là E = E1 + E2

= 2,5 MeV

Công suất bức xạ là P = 0,0148 W/Ci hay P = 67,567kCi/kW [2]

1.4.4 Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình biến tính bức xạ

Như đã biết, tất cả các giải thích về quá trình xảy ra trong dung dịch nước đều dựa trên cơ sở lý thuyết gốc tự do về sự phân ly bức xạ nước

1.4.4.1 Thuyết tự do về sự phân ly bức xạ nước

Weiss (1944) đã đưa ra thuyết gốc về sự phân ly bức xạ nước Trên cơ sở kết quả nghiên cứu xác định sản phẩm trung gian và sản phẩm bền tạo thành trong quá trình phân ly bức xạ của nước và nhiều công trình nghiên cứu khác, Tabata (1991)

đã mô tả tóm tắt quá trình phân ly bức xạ nước như sau:

-Kích hoạt và ion hóa (10-16 s)

-Phản ứng ion phân tử (10-14 s)

H2O+ + H2O  H3O+ + •OH (1.3) -Phân tử kích hoạt phân ly (10-13 s)

-Phản ứng giữa các sản phẩm phân ly bức xạ nước với chất tan (10-10 s)

 Có thể viết phương trình tóm tắt như sau:

H2O  H2, H2O2, H•, •OH, e-aq, H3O+ (1.11) Hiệu suất phân hủy bức xạ cực đại của nước ký hiệu G(-H2O)max và có giá trị: G(-H2O)max ≈ 12 phân tử / 100eV

Hiệu suất sơ cấp của các sản phẩm phân ly bức xạ nước được ký hiệu GH,

GOH, G H2 , G H O2 2 là số nguyên tử hydro, gốc OH, phân tử hydro và phân tử hydropeoxit tương ứng được tạo thành khi nước hấp thụ 100eV năng lượng bức xạ ion hóa G(HO) = 0,29 MmolJ-1, G(e-aq) = 0,28 MmolJ-1, G(H) = 0,06 MmolJ-1 Cần chú ý rằng hiệu suất các sản phẩm phân tử G(H2), G(H2O) đo được hiếm khi

H2O

bức xạ

bằng G H2,G H O2 2do H2, H2O2 được tạo ra không chỉ do quá trình tái kết hợp của các gốc tự do H, OH mà còn do phản ứng giữa các chất tan với sản phẩm phân ly bức

- Hydro phân tử (H2) không phản ứng trực tiếp với chất tan, nhưng nó có thể phản ứng trực tiếp với gốc OH:

là tác nhân khử hữu hiệu đối với nhiều loại ion

H2O2 phân ly theo phương trình:

Giá trị pKa của phản ứng này là 11,75

Các sản phẩm phân tử trong dung dịch chiếu xạ có thể được đo bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau Sự có mặt của gốc tự do được xác nhận bằng phản ứng của nó với chất tan [2, 43]

Các tác nhân có tính chất khử trong quá trình phân ly bức xạ nước sẽ khử ion bạc thành nguyên tử bạc, các nguyên tử này liên kết với nhau tạo thành cụm nhỏ sau đó phát triển thành hạt nano theo cơ chế sau

1.4.4.3 Cơ chế

Cơ chế của quá trình khử trong dung dịch nước do e

-aq và gốc tự do tạo thành, tác nhân khử này khử bạc ion thành bạc nguyên tử, e-aq, H• khử Ag+ thành Ag0 theo

phản ứng sau:

Phương pháp chiếu xạ cho phép điều khiển quá trình phản ứng vì biết được

chính xác liều xạ sử dụng Như đã nói, e-aq và H được tạo ra trong quá trình xạ ly

là tác nhân khử mạnh, Eo(H2O/e-aq) = -2.87 V, Eo(H+/H•) = -2.3 V, Eo(Ag+/Ag0) =

-1,8 V [2, 6, 27] Chúng sẽ dễ dàng khử bạc ion thành dạng bạc nguyên tử Những

nguyên tử này tạo thành dạng dimer khi va chạm hay tiếp xúc với ion Ag+, quá

trình kết tụ theo từng bậc, và tiếp tục kết tụ thành cluster lớn hơn [10, 46]

Phản ứng (1.22), (1.23) xảy ra nhanh, đó là quá trình kết hợp ion với nguyên

tử hoặc cluster, có vai trò quan trọng trong cơ chế phát triển cluster Sự cạnh tranh

giữa quá trình khử ion bạc tự do và hấp phụ ion là do tốc độ hình thành gốc khử

Nguyên tử bạc tạo thành luôn có xu hướng bị gốc OH oxy hóa trở lại thành

bạc ion Vì vậy, alcohol (etanol, iso-propanol ) có vai trò quan trọng trong bắt gốc



OH ngăn cản quá trình oxy hóa bạc nguyên tử thành bạc ion [10, 37]

Etanol bắt gốc •OH theo phản ứng:

•

OH + CH3-CH2-OH  CH3-•CH-OH + H2O (1.25)

Ngoài ra etanol có thể phản ứng với H theo phản ứng:

H + CH3-CH2-OH  CH3-•CH-OH + H2 (1.26) Gốc thứ cấp CH3

•

CHOH là gốc khử, tiếp tục khử Ag+n+1 thành dạng Agon+1 (ví

dụ dimer tích điện Ag+2) khi hấp phụ trên các cluster Gốc thứ cấp CH3 •

CHOH không khử được trực tiếp Ag+ tự do thành Ag0 do Eo(CH3CH2OH/ CH3 •

CHOH) = 1,8V gần bằng Eo(Ag+/Ago)

-Ag2+ + CH3-•CH-OH  Ag2 + CH3-CO-H + H+ (1.27) Bạc nano được tạo ra bằng phương pháp chiếu xạ hay bất cứ phương pháp nào khác cũng có khuynh hướng kết tụ trong nước thành những hạt có kích thước lớn hơn nếu chúng không được bảo vệ Đã có nhiều tác giả tìm ra các polyme có khả năng ổn định keo kim loại nano như polyvinyl pirrolidone (PVP), polyvinyl alcol (PVA), polyacrylate, polyacrymide (PAM) Các nhóm chức trên polymer tương tác với kim loại tạo điều kiện để gắn các phân tử polymer lên bề mặt của đám kim loại Khi đó chuỗi polyme sẽ ngăn cản sự keo tụ của các đám kim loại nhờ lực đẩy tĩnh điện hoặc do sự cản trở về mặt không gian Các polyme này có vai trò quyết định trong việc kiểm soát kích thước cũng như độ phân tán kích thước của các hạt kim loại nano [19]

D Lawless và các cộng sự [23] giải thích cơ chế bạc nano gắn trên bề mặt hạt SiO2 bắt đầu từ sự hấp phụ Ag+ ở bề mặt SiO2 Khi đưa Ag+

vào hệ phân tán SiO2

tạo nên sự cân bằng giữa Ag+ hấp phụ ở bề mặt SiO2 (Ag+ad) và Ag+ trong hệ phân tán

Ag+ + (SiO2) ↔ SiO2Ag+ (=Ag+ad) (1.28)

Cơ chế quá trình khử Ag+

có thể xảy ra theo 2 bước:

Hình 1.11: Cơ chế của quá trình khử Ag+ ở bề mặt hạt SiO2 [23]

- Sự khuếch tán của e-aq đến hạt SiO2 (a)

- Sự khuếch tán e-aq dọc theo bề mặt hạt để tác dụng với Ag+ được hấp phụ (b)

Ở nồng độ Ag+

thấp, tỉ lệ nồng độ Ag+ so với SiO2 (Ag+/SiO2) ≤ 2, sự khuếch tán e-aq đến hạt SiO2 chiếm ưu thế Tuy nhiên, trong quá trình này e-aq cần xuyên qua (penetrate) trường điện thế âm điện xung quanh hạt SiO2 do đó tốc độ phản ứng chậm Khi nồng độ Ag+

tăng sẽ tạo ra 2 hiệu ứng:

- Sự va chạm của các hạt SiO2 tăng khi nồng độ Ag+ tăng

- Trường điện thế bề mặt hạt SiO2 trở nên dương hơn do mang nhiều Ag+ Tương tác tĩnh điện giữa bề mặt hạt SiO2 và e-aq giảm đáng kể, khi đó sự di chuyển

e-aq dọc theo bề mặt hạt SiO2 đến Ag+ hấp phụ quyết định tốc độ phản ứng Khi tỷ

lệ Ag+/SiO2 càng cao sự di chuyển của e-aq dọc theo bề mặt hạt SiO2 và tương tác với Ag+ càng nhanh

Theo công trình nghiên cứu của Muniz-Miranda và T Tuval [31, 47], hệ keo silica được tạo thành bởi các hạt mang điện tích âm như minh họa hình 1.12

Môi trường dung dịch



