Chế tạo và nghiên cứu quá trình hấp thụ plasmon của các hạt nano bạc nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn escherichia coli

Phổ hấp thụ của hạt keo nano bạc có kích thước ~40 nm được tổng hợp bằng phương pháp khử citrate .... Vì vậy việc thực hiện đề tài “Chế tạo và nghiên cứu quá trình hấp thụ Plasmon của cá

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Vũ Xuân Hòa – người thày đã hướng dẫn, định hướng, hỗ trợ cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm và tập thể các thầy cô khoa Vật lý

và Công nghệ, trường Đại học Khoa học – Đại học Thái nguyên, trong suốt hai năm qua đã truyền thụ cho em những kiến thức quý báu để em hoàn thành luận văn.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi thực hiện tốt luận văn này.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2018

Học viên

Hà Duy Hiền

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Hạt keo nano bạc 3

1.1.1 Giới thiệu về hạt keo nano bạc 3

1.1.2 Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt 4

1.2 Các phương pháp chế tạo hạt keo nano bạc 9

1.2.1 Phương pháp từ dưới lên (bottom-up) 9

1.2.2 Phương pháp quang 10

1.3 Tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc 15

1.3.1 Cơ chế kháng khuẩn của hạt keo nano bạc 15

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn của keo nano bạc 17

1.3.3 Ảnh hưởng của hạt keo nano bạc đến sức khỏe con người 18

1.4 Ứng dụng của hạt keo nano bạc 18

1.5 Khái quát về vi khuẩn 20

1.5.1 Khái niệm chung về vi khuẩn 21

1.5.2 Vi khuẩn Gram âm “Escherichia coli” 21

Chương 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC .

22 2.1 Trang thiết bị, vật liệu và hóa chất sử dụng 22

2.1.1 Các dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 22

2.1.2 Các hoá chất sử dụng 22

2.2 Chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu 22

2.2.1 Phương pháp khử hóa học sử dụng citrate 22

2.2.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu 24

2.3 Chế tạo các hạt nano bạc dạng đĩa bằng cảm quang dùng LED 26

2.3.1 Quy trình 26

2.3.2 Ảnh hưởng của lượng TSC lên các đĩa AgNPs 27

2.4 Khảo sát tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc với khuẩn E.coli 27

2.5 Các phương pháp khảo sát 28

2.5.1 Phổ hấp thụ UV-Vis 28

2.5.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope −TEM) 30

2.5.3 Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X 32

2.5.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại 33

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Kết quả chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu 36

3.1.1 Phổ hấp thụ 36

3.1.2 Hình thái và kích thước hạt 37

3.1.3 Phân tích cấu trúc 37

3.1.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu 39

3.2 Kết quả chế tạo các hạt nano bạc dạng đĩa dẹt 42

3.2.1 Phổ hấp thụ 42

3.2.2 Kích thước và hình dạng 45

3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ TSC lên tính chất quang của hạt keo nano bạc 46

3.3 Tính ổn định của hạt keo nano bạc 50

3.4 Thí nghiệm khả năng diệt khuẩn Escherichia coli 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 59

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT S

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt [14] 4Hình 1.2 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh

nano vàng với các tỷ lệ tương quan: R  2,7 , R  3,3[16] 8

Hình 1.3 Sơ đồ chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp ăn mòn laser 10

Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của citrate 11

Hình 1.5 Phổ hấp thụ của dung dịch tiền chất Ag trước và sau khi thêm NaBH4 12 Hình 1.6 Phổ hấp thụ của dung dịch hỗn hợp gồm AgNO3, citrate và BSPP 12

Hình 1.7 Mô hình oxy hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus 13

Hình 1.8 Sơ đồ quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác từ Ag dạng cầu .14

Hình 1.9 Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình chuyển đổi hình thái học theo Ref 14

Hình 1.10 Tác động của ion bạc lên vi khuẩn 15

Hình 1.11 Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn 15

Hình 1.12 Ion bạc liên kết với các base của DNA 16

Hình 1.13 Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn bằng lực bám hút tĩnh điện và phá vỡ cấu trúc màng 16

Hình 1.14 Cơ chế diệt khuẩn của hạt keo nano bạc 17

Hình 1.15 Một vài sản phẩm chứa hạt keo nano bạc 19

Hình 1.16 Hình dạng của vi khuẩn E.coli quan sát dưới kính hiển vi 21

Hình 2.1 Hình minh họa cơ chế phát triển mầm tạo thành các AgNPs bằng phương pháp khử citrate 23

Hình 2.2 a) Thí nghiệm chế tạo hạt nano bạc 23

b) Dung dịch hạt nano bạc sau khi chế tạo 23

Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo mầm Ag 26

Hình 2.4 Phát triển mầm bằng đèn LED với mật độ công suất 0,51 mW/cm2 27

Hình 2.5 Hình ảnh đĩa Petri được đục lỗ để làm thí nghiệm thử kháng khuẩn 28 Hình 2.6 Biểu diễn định luật Lamber-Beer 29

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia 29

Hình 2.8 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua 31

Hình 2.9 Kính hiển vi điện tử truyền qua-TEM tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung

ương 32

Hình 2.10 Giản đồ minh họa về mặt hình học của định luật Bragg 33

Hình 3.1 Phổ hấp thụ của hạt keo nano bạc có kích thước ~40 nm được tổng hợp bằng phương pháp khử citrate 36

Hình 3.2 a) Ảnh TEM của các hạt keo AgNPs; 37

b) Xác suất phân bố kích thước hạt tương ứng 37

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với [TSC]/[AgNO3] = 5:1 38

Hình 3.4 Phổ FTIR của các AgNPs với tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 5:1 38

sau khi được tổng hợp 38

Hình 3.5 (a)- Phổ hấp thụ UV-vis của hạt keo nano bạc với tỷ lệ molTSC/AgNO3 khác nhau 40

(b)-Cường độ đỉnh phổ hấp thụ plasmon như một hàm của tỷ lệ mol TSC/AgNO3 40

Hình 3.6 Dung dịch keo hạt nano bạc phụ thuộc vào thời gian phản ứng: 41

(a)-Phổ hấp thụ UV-vis của AgNPs của 7 mẫu theo thời gian

41 (b)-Ảnh chụp dung dịch keo hạt nano bạc tương ứng

41 (c)-Độ hấp thụ phụ thuộc vào thời gian phản ứng tương ứng (a) 41

Hình 3.7 Dung dịch hạt nano bạc phụ thuộc vào độ pH của môi trường: 41

(a)-Phổ hấp thụ UV-vis của các hạt nano bạc ứng với các giá trị pH khác nhau 41 (b)-Các cường độ hấp thụ cực đại tương ứng (a) 41

Hình 3.8 Đặc trưng quang của các AgNPs (với [NaBH4]/[AgNO3] =5:4, 2,5 ml TSC 2,5 mM) sau khi được chế tạo bằng phương pháp quang hóa

44 (a)- Phổ hấp thụ của các hạt AgNPs dạng mầm và các dạng tam giác sau khi chiếu LED (thời gian chiếu 1 h, 2 h, 3 h, 4h)

44 (b)- Ảnh chụp dung dịch bạc sau khi hoàn thiện quy trình chế tạo

44 của các mẫu tương ứng với Hình a 44

Hình 3.9 Giải thích cơ chế hình thành phổ hấp thụ của của các nano đĩa bạc dạng tam giác

44

Hình 3.10 Ảnh TEM của các hạt nano bạc sau khi chế tạo 46

(a)-các mầm nano bạc 46(b)-phân bố kích thước hạt tương ứng với ảnh a 46(c) và (d) là ảnh TEM của của các nano bạc dạng đĩa dẹt tam giác

46

Hình 3.11 Tính chất quang của các mầm AgNPs với lượng TSC thay đổi 47

(a)-Phổ hấp thụ plasmon của các mầm AgNPs với lượng chất TSC

µl 47 (b)- Ảnh chụp dung dịch chứa AgNPs

Hình 3.14 Kết quả hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs được tổng hợp bằng tácnhân khử citrate chống lại vi khuẩn E.coli Vùng kháng khuẩn của các mẫu T3,T4 và T5 lần lượt là 13 mm, 11 mm và 9 mm 51

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sự liên quan đến kích thước và số nguyên tử trên bề mặt 3Bảng 2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ TSC/AgNO3 đến quá trình tổng hợp cáchạt keo nano bạc 24Bảng 2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp các hạt

keo nanobạc 25Bảng 2.3 Các điều kiện thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của pH 25Bảng 2.4 Bảng số liệu thay đổi lượng TSC lên sự tạo thành mầm 27

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây việc nghiên cứu hạt nano rất được quan tâm bởinhững tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng của nó [1-4] Trong số các loạihạt nano được nghiên cứu, ứng dụng thì hạt keo nano bạc đã gây được sự chú ýđặc biệt bởi tính chất quang và khả năng kháng khuẩn vượt trội [5] Trên thếgiới, nano bạc đã được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong rất nhiều các sảnphẩm gần gũi với đời sống như: tẩm trên băng cứu thương, phủ lên các loại sợivải, sử dụng để chống nhiễm khuẩn nước sinh hoạt, các đồ dùng cho trẻ em vànhững năm gần đây đã có nhiều ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp [6] ỞViệt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu nano nói chung, nano bạc nói riêngvẫn còn khá mới mẻ và mới được tiến hành trong thời gian gần đây

Tính chất quang của nano bạc phụ thuộc mạnh vào hình dạng và kíchthước do sự cộng hưởng và tán xạ Plasmon bề mặt [7,8] Phổ hấp thụ trải rộng từ

tử ngoài gần đến vùng hồng ngoại, điều này cho nhiều ứng dụng lý thú trong sinh học như hiện ảnh, tăng trưởng tán xạ Raman bề mặt, hiệu ứng quang nhiệt,làm các cảm biến sinh học [9], Ngoài ra, việc sử dụng tính chất cộng hưởngPlasmon bề mặt như cảm biến sinh học còn để giám sát, cung cấp các thông tin

y-về các quá trình sinh học hay nó còn hứa hẹn các kết quả vô cùng đặc biệt y-vềtương tác các phân tử sinh học [10] Hiện nay có nhiều nhóm trên thế giới đangnghiên cứu nhiều về khả năng ứng dụng của hạt nano bạc như: kháng khuẩn,khử độc [11] Tuy nhiên, việc nghiên cứu đầy đủ quá trình hấp thụ của các hạtnano bạc ở các kích thước và hình dạng khác nhau vẫn còn thiếu, các cơ chế vật

lý vẫn chưa được lý giải thấu đáo Vì vậy việc thực hiện đề tài “Chế tạo và

nghiên cứu quá trình hấp thụ Plasmon của các hạt nano bạc nhằm ứng dụng

trong diệt khuẩn Escherichia coli” là cần thiết hiện nay Thành công của đề tài

sẽ bổ sung vào kho kiến thức về tính chất quang của nano bạc nói chung và phổhấp thụ cộng hưởng Plasmon nói riêng Từ nghiên cứu quá trình hấp thụ có thểtìm ra được “cửa sổ” quang học lý thú hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác trong ysinh học

Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu quá trình hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt nano bạc

dạng cầu và hình dạng khác nhau, từ đó thử nghiệm trong diệt khuẩn E.coli.

Phạm vi nghiên cứu

Chế tạo và nghiên cứu quá trình hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạtnano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác

Phương pháp nghiên cứu

Chủ yếu nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm

- Sử dụng lý thuyết Mie và Gans để giải thích cơ chế hấp thụ Plasmon củacác hạt kim loại nhỏ

- Sử dụng phương pháp hóa ướt để chế tạo hạt nano bạc bằng Sodiumcitrate và sodium borohydride như là tác nhân khử Phương pháp cảm quangdùng đèn LED để chế tạo các hạt nano đĩa dẹt dạng tam giác

- Các phương pháp phổ hấp thụ cộng hưởng và tán xạ Plasmon bề mặt, phổhồng ngoại để nghiên cứu các tính chất quang của hạt nano bạc

- Phương pháp đo SEM và TEM để xác định kích thước và hình thái hạt

nano

- Phổ XRD được sử dụng để nghiên cấu trúc pha của tinh thể bạc

Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu trên các hạt nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác

- Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn E.coli.

Nội dung nghiên cứu

- Chế tạo các hạt nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác

- Nghiên cứu quá trình hấp thụ của các hạt nano bạc chế tạo được

- Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano bạc đối với khuẩn

E.coli Báo cáo luận văn được trình bày trong 3 chương không kể phần mở

đầu và

kết luận:

Chương 1 Tổng quan về các hạt keo nano bạc, các phương pháp chế tạo

và các tính chất của keo nano và các khả năng ứng dụng của nó

Chương 2 Trình bày về thực nghiệm chế tạo mẫu Các phương pháp khảo

sát đo đạc

Chương 3 Trình bày về các kết quả và thảo luận các kết quả đạt được.

Chương 1

1.1 Hạt keo nano bạc

TỔNG QUAN

1.1.1 Giới thiệu về hạt keo nano bạc

Hạt keo nano bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm [12] Trong khithường được miêu tả là "bạc", một số chứa một lượng lớn oxit bạc do tỷ lệ lớncác nguyên tử bạc từ bề mặt đến khối lượng lớn Rất nhiều hình dạng của các hạtnano có thể được xây dựng tùy thuộc vào ứng dụng Thường được sử dụng là cáchạt nano bạc hình cầu nhưng các viên kim cương, hình bát giác và tấm mỏngcũng rất phổ biến

[12]

Diện tích bề mặt cực lớn của chúng cho phép phối hợp một số lượng lớncác phối tử Các tính chất của các hạt nano bạc áp dụng cho các phương phápđiều trị của con người đang được điều tra trong các nghiên cứu trong phòng thínghiệm và động vật, đánh giá tiềm năng hiệu quả, độc tính và chi phí

- Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trongcác dung môi phân cực như: nước và trong các dung môi không phân cực như:benzene, toluene).

- Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng vàcác tác nhân oxy hóa khử thông thường

- Chi phí cho quá trình sản xuất thấp

- Ổn định ở nhiệt độ cao

1.1.2 Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt

Cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR) là sự kích thích tập thể đồng thời củatất cả các điện tử “tự do” trong vùng dẫn tới một dao động đồng pha như Hình1.1

Hình 1.1 Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt [14]

Đối với các hạt có kích thước nhỏ, hiệu ứng SPR không lớn do hấp thụkhông mạnh Đối với các hạt to hơn có kích thước vài chục nano mét, khi kíchthước của chúng còn nhỏ so với bước sóng ánh sáng thì ánh sáng nhìn thấy cóthể kích thích được SPR Đối với cùng những hạt đó, năng lượng của Plasmonkhối rất lớn (6-9 eV) [14, 15] Rõ ràng rằng, bề mặt các hạt nano đóng vai trò rấtquan trọng trong việc quan sát SPR vì nó thay đổi các điều kiện biên cho khảnăng phân cực của kim loại và do đó dịch tần số cộng hưởng về tần số quanghọc Trong nghĩa đó, hấp thụ Plasmon bề mặt là một hiệu ứng của các hạt nhỏ(hoặc màng mỏng) nhưng chắc chắn không phải là hiệu ứng kích thước lượng tử

Hình 1.1 minh họa sự tạo thành của dao động Plasmon bề mặt Điệntrường của sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn (điện tử tự

do) đối với lõi ion nặng của một hạt nano cầu Sự chênh lệch điện tích thực tế ởcác biên của

Theo các tính toán của Mie, chỉ có dao động lưỡng cực là ảnh hưởng đáng

(  ) 2 2

là

hằng số điện môi của môi trường xung quanh và của vật liệu hạt Đầu tiên ta giảthiết là biểu thức độc lập với tần số và là một hàm phức phụ thuộc vào năng lượng,

2 m

phụ

hấp thụ của hạt nano kim loại nhỏ một cách định tính cũng như định lượng Ngoài

ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa thiết diện tán xạ (thiết diện dập tắt, thiết

Q ext

, hiệu suất hấp thụ

Plasmon bề mặt phụ thuộc rõ ràng vào kích thước của hạt r Kích thước hạt càng

lớn thì các mode dao động càng cao hơn do ánh sáng lúc đó không còn phân cựchạt một cách đồng nhất được nữa Các mode dao động cao này có vị trí đỉnh phổ

ở năng lượng thấp hơn và do đó tần số dao động của Plasmon bề mặt cũng giảmkhi kích thước hạt tăng Điều này được mô tả thực nghiệm và cũng tuân theo lýthuyết Mie Phổ hấp thụ quang phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt được coinhư các hiệu ứng ngoài

Lý thuyết Mie chứng minh rằng hệ số tắt không phụ thuộc vào kích thướchạt đối với trường hợp các hạt có kích thước nhỏ hơn 20 nm

Hầu hết các lý thuyết đưa ra đều giả thiết rằng hằng số điện môi của hạt

hơn

20 nm Kreibig và Von Fragstein đề xướng tán xạ điện tử trên bề mặt tăng lên đốivới các hạt nhỏ khi mà quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn bị giới hạnbởi kích thước vật lý của hạt Quãng đường tự do trung bình của điện tử tronghạt vàng và bạc lần lượt là 40 và 50 nm Nếu các điện tử va chạm đàn hồi với bềmặt hoàn toàn ngẫu nhiên, sự đồng pha dao động ngẫu nhiên bị mất Sự va chạmkhông đàn hồi với điện tử với bề mặt cũng làm thay đổi pha

Hạt càng nhỏ thì các điện tử chạm tới bề mặt của hạt càng nhanh Điện tửsau đó có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là trong hạt cókích thước lớn hơn Do đó, độ rộng phổ Plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm.Drude đã đưa ra công thức diễn tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào kích

độ điện tử tự do n và điện tích e, 

0

là khối lượng điện tử hiệu dụng,  là hàm của bán kính hạt r như sau:

 (r)    A F

,

0 r

(1.5)

vào chi tiết các quá trình tán xạ (tức là tán xạ đẳng hướng hoặc tán xạ khuyếch

Fermi

Mô hình này hiệu chỉnh sự phụ thuộc 1/r của độ rộng phổ Plasmon như

hàm của kích thước cho các hạt nano được diễn tả bằng gần đúng lưỡng cựctrong vùng kích thước nội “intrinsic” (r<20 nm) Thông số A được sử dụng nhưmột thông số “làm khớp các giá trị thực nghiệm” Ưu điểm lớn nhất của lýthuyết này là đã đưa ra một mô hình mô tả sự phụ thuộc của hằng số điện môicủa hạt vào kích thước

1.2 chỉ ra phổ hấp thụ của hai thanh nano vàng với các tỷ lệ tương quan là 2,7 và

3,3 Cũng từ phổ đó cho thấy rằng; cực đại dải Plasmon theo trục dài (vòng tròn)dịch đỏ khi tăng tỷ lệ tương quan R, trong khi đó cực đại dải Plasmon theo trụcngang (ô vuông) không thay đổi.

Hình 1.2 Sự phụ thuộc phổ hấp thụ Plasmon bề mặt vào kích thước của thanh

Phổ hấp thụ quang học của một tập hợp các thanh nano vàng định hướngngẫu nhiên với tỷ lệ tương quan R có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng

sự mở rộng của lý thuyết Mie

Phổ hấp thụ của các thanh nano vàng (Au nanorod) với tỷ lệ tương quan Rđược Gans tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết Mie với gần đúng lưỡng cực [17]

e  1  

A  R 2 

1.2 Các phương pháp chế tạo hạt keo nano bạc

Có 2 phương pháp để điều chế hạt nano kim loại bạc: phương pháp từ dướilên và phương pháp từ trên xuống

− Phương pháp từ dưới lên “bottom-up” là phương pháp tạo hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion kết hợp lại với nhau Phương pháp từ trên xuống “top-

down” là phương pháp tạo các hạt nano từ vật liệu khối ban đầu.

− Đối với hạt keo nano bạc, thường được điều chế bằng phương pháp từdưới lên

1.2.1 Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)

Đối với hạt nano kim loại như: hạt nano vàng, bạc, bạch kim, thì phươngpháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên Nguyên tắc là khử các

tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano

Trong phương pháp từ dưới lên có 3 phương pháp để chế tạo hạt keo nanobạc là: phương pháp khử hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp hóa lý.Trong đó, phương pháp vật lý và phương pháp hóa lý bị hạn chế bởi thiết bị sửdụng phức tạp, tiêu hao nhiều năng lượng, kích thước hạt lớn và không đồngđều Do vậy, tôi lựa chọn phương pháp khử hóa học được sử dụng rộng rãi hơn

do lợi thế về hiệu suất tổng hợp hạt nano, chi phí thấp, dễ thực hiện, kích thướchạt nhỏ, đồng đều và ít rủi ro Sẽ được trình bày dưới đây:

 Phương pháp khử hóa học:

Cách tiếp cận phổ biến nhất để tổng hợp các hạt nano bạc là sự khử hóahọc bởi các chất khử hữu cơ và vô cơ Nói chung, các tác nhân khử khác nhau

trình polyol, chất thử Tollens, N-dimethylformamid (DMF) và copolyme poly(ethylene glycol), tương ứng với từng loại tác nhân khử sẽ tạo ra cỡ hạt khác

nhóm này cuối cùng dẫn đến sự hình thành các hạt bạc kim loại Nguyên lý cơbản của phương

pháp này được thể hiện:

Ag+ + X → Ag0 → AgNPs

Điều quan trọng là sử dụng các tác nhân bảo vệ để ổn định các hạt nanophân tán trong quá trình chuẩn bị hạt nano kim loại và bảo vệ các hạt nano có thểhấp thụ hoặc bám vào bề mặt các hạt nano, tránh sự tích tụ của chúng (Oliveira

et al 200) Sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt chứa các nhóm chứcnăng (ví dụ: thiol, amin, axit và rượu) có thể ổn định bề mặt và bảo vệ các hạtkhỏi lắng đọng, tích tụ hoặc mất đi tính chất bề mặt của chúng Các hợp chấtpolyme như: poly (vinyl alcohol), poly (vinylpyrolidone), poly (ethylene glycol),poly (methacrylic acid), polymethylmethacrylate, chitosan, tinh bột,… đã đượcbáo cáo là các chất bảo vệ hiệu quả để ổn định các hạt nano

với điều kiện trong phòng thí nghiệm, phương pháp đơn giản, không đòi hỏi thiết

bị đắt tiền, ít rủi ro và chế tạo được hạt với kích thước nhỏ

1.2.2 Phương pháp quang

a) Phương pháp quang lí

Các hạt nano Ag được sản xuất bằng phương pháp ăn mòn laser trực tiếpcủa miếng kim loại đặt trong dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt với laser(xung năng lượng rất cao) cỡ ns bắn ra Sơ đồ chế tạo được mô tả bởi hình dướiđây, vật liệu là một tấm bạc đặt trong dung dịch chứa chất hoạt hóa bề mặt

Hình 1.3 Sơ đồ chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp ăn mòn laser

b) Phương pháp quang hóa

Phương pháp quang hóa là một phương pháp hoá lí, phản ứng khử ion bạcxảy ra dưới tác dụng của bức xạ Chúng ta có thể gây phản ứng quang hóa bằngtia X trong môi trường Triton X-100 (Octyl phenol Ethoxylate) hay còn gọi làTX-100, nó không chỉ đóng vai trò chất tham gia phản ứng quang hóa mà cònđóng vai trò chất ổn định nhằm tránh kết đám của hạt theo thời gian [18] Quátrình đầu tiên là quá trình oxy hóa TX-100 gây ra bởi các gốc OH-/H+ sinh ra doquá trình quang phân nước tạo ra một rượu có tính khử mạnh, sau đó rượu này sẽkhử các ion bạc thành bạc nguyên tử, do năng lượng liên kết giữa bạc nguyên tửvới chính nó và các ion lớn hơn với dung môi nên chúng kết lại tạo ra các hạt

cho kích thước của hạt bạc ngày càng lớn lên

Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo nano Ag bằng phươngpháp cảm ứng quang (dùng LED, λ = 532nm), xảy ra với sự có mặt của TSC

Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của citrate

Cơ chế của phương pháp quang xúc tác xảy ra là do ảnh hưởng của biếnđổi citrate Hình dạng nanoprisms sẽ không được quan sát nếu trong phản ứngkhông có mặt của citrate hoặc thay thế bằng một hợp chất chứa carboxylatekhác Do vậy, citrate đóng vai trò quyết định trong việc có hình thành dạng đĩananoprisms hay không

Các phản ứng xảy ra như sau:

Quá trình tạo mầm: Tiền chất chứa Ag là dung dịch muối AgNO3 cung

sau phản ứng (Hình 1.5) Phản ứng xảy ra theo phương trình:

Hình 1.5 Phổ hấp thụ của dung dịch tiền chất Ag trước

Citrate có ba nhóm carboxylic chủ yếu, hai trong số 3 nhóm đó sẽ liên kếtvới bề mặt bạc, để lại nhóm thứ ba ở bên ngoài bề mặt hạt bạc để chịu tráchnhiệm về sự ổn định của dung dịch keo bạc thông qua lực đẩy tĩnh điện[19].Citrate trong quá trình tạo mầm đóng vai trò là chất ổn định bề mặt hạt, giữ chokích thước hạt mầm trong khoảng 3nm với đỉnh hấp thụ ở bước sóng 405 nm.Dung dịch mầm tạo thành ở dạng hình cầu và có màu vàng nhạt

Hình 1.6 Phổ hấp thụ của dung dịch hỗn hợp gồm AgNO3, citrate và BSPP

Quá trình biến đổi citrate do chiếu xạ LED: trong dung dịch mầm sau phản

citrate không hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (Hình 1.6).[20]

cấp cho quá trình phát triển hạt Phản ứng xảy ra theo phương trình:

Ag mầm Qua đó, kích thước hạt mầm sẽ phát triển lớn hơn.

Hình 1.7 Mô hình oxy hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus

Khi bắt đầu phản ứng, các hạt nano mầm hình cầu hấp thụ ánh sáng đẳnghướng, tạo nên các dao động Plasmon lưỡng cực Nhưng sau khi phản ứng củacitrate xảy ra thì các hạt Ag mầm không phát triển dạng cầu nữa Khi tiếp tụcchiếu sáng, ánh sáng kích thích ưu tiên kích thích Plasmon dao động lưỡng cựcdọc Dao động lưỡng cực dọc ưu tiên phát triển theo những góc Do vậy, các hạthình cầu phát triển dị hướng dẫn đến sự hình thành các dạng nano đĩa tam giác

Khi các đĩa tam giác Ag được tạo ra bởi các dao động lưỡng cực dọc đủlớn và có bước sóng dao động Plasmon lớn hơn bước sóng kích thích thì quátrình phát triển tạo đĩa tam giác chậm lại (ánh sáng kích thích không còn kíchthích dao động lưỡng cực dọc nữa) Tiếp tục chiếu sáng thì ánh sáng kích thícch

dao động tứ cực trên mặt phẳng đĩa làm cho kích thước đĩa lớn hơn trong khiquá trình phát

triển chóp rất chậm dẫn đến sự hình thành các dạng đĩa tam giác cụt Nếu trongphản ứng có sự tham gia của quá trình khử nhiệt và nó nhanh hơn quá trình khửquang thì sẽ phát triển thành các đĩa tròn

Hình 1.8 Sơ đồ quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác

- Phản ứng sẽ dừng lại khi không còn chiếu sáng

Hình 1.9 Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình chuyển đổi

hình thái học [22].

1.3 Tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc

1.3.1 Cơ chế kháng khuẩn của hạt keo nano bạc

Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các

tạo nên thành tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bêntrong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bàongay sau đó, khả năng hoặt động của vi khuẩn lại có thể được phục hồi Do độngvật không có thành tế bào,vì vậy chúng ta không bị tổn thương khi tiếp xúc vớicác ion này

Hình 1.10 Tác động của ion bạc lên vi khuẩn

Có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn đáng chú ý được mô

bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin –SH củaphân tử enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình

hô hấp của tế bào vi khuẩn [23]

Hình 1.11 Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn [23]

Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng liên kết với các base của DNA vàtrung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA[24]

Hình 1.12 Ion bạc liên kết với các base của DNA [24]

Xét trên góc độ sinh học các nhà nghiên cứu đều có một quan điểm thốngnhất rằng hạt keo nano nạc diệt khuẩn theo một trong những cơ chế sau:

− Một là: Nano bạc phá hủy chức năng hô hấp.

− Hai là: Nano bạc phá hủy chức năng của thành tế bào.

− Ba là: Nano bạc liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật và ức chế chức

năng sao chép của chúng, kìm hãm chúng, không cho chúng phát triển mạnh

Hiện nay có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi khuẩn của nanobạc đã được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp thụ được nhiều người chấp nhận hơn

cả Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quảcủa quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào vi

trong tế bào vi khuẩn và vô hiệu hóa chúng

Hình 1.13 Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn bằng lực bám hút tĩnh

điện và phá vỡ cấu trúc màng

Cho đến nay, những gì liên quan đến cơ chế tác động của hạt keo nano bạclên tế bào vi sinh vật (đơn bào), mới chỉ có một quan điểm được hầu hết các nhàkhoa học thừa nhận Đó là khả năng diệt khuẩn của hạt keo nano bạc là kết quả

của quá trình biến đổi (giải phóng liên tục) các nguyên tử bạc kim loại trên bềmặt