Cũng lần đầu tiên nghiên cứu ảnh hưởng của độ đề axetyl (ĐĐA) của chitosan tới kích thước hạt bạc và nghiên cứu sử dụng chitosan có ĐĐA ∼50% (chitosan tan trong nước) làm chất ổn định[r]
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1 PGS-TS BÙI DUY CAM
2 PGS-TS NGUYỄN QUỐC HIẾN
HÀ NỘI-2009
Trang 3MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa………
Lời cam đoan……….I Lời cảm ơn………II Mục lục………III Các chữ viết tắt……… …IX Danh mục bảng……… XI Danh mục hình……….XIV MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4
1.1 Bạc và vai trò của bạc 4
1.2 Các kết quả nghiên cứu vật liệu bạc nano trong và ngoài nước 5
1.2.1 Các phương pháp chế tạo keo bạc nano 7
1.2.1.1 Phương pháp bay hơi vật lý 7
1.2.1.2 Phương pháp ăn mòn Laze 8
1.2.1.3 Phương pháp phân huỷ nhiệt 8
1.2.1.4 Phương pháp điện hóa 8
1.2.1.5 Phương pháp quang hóa 9
1.2.1.6 Phương pháp siêu âm 9
1.2.1.7 Phương pháp bức xạ vi sóng điện từ 9
1.2.1.8 Phương pháp polyol 9
1.2.1.9 Phương pháp phản ứng thế 10
1.2.1.10 Phương pháp khử hóa học 10
1.2.1.11 Phương pháp khử hóa bức xạ 11
1.2.2 Thuyết gốc tự do về phân ly bức xạ nước 11
1.2.2.1 Cơ chế về phân ly bức xạ nước 11
1.2.2.2 Các sản phẩm phân ly bức xạ nước và tính chất của chúng 12
Trang 41.2.3 Quá trình khử hóa bức xạ chế tạo bạc nano 14
1.2.3.1 Cơ chế của quá trình khử hóa bức xạ 14
1.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến động học phản ứng và kích thước hạt bạc 15 1.2.4 Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVA, PVP và Chitosan 16
1.2.4.1 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVA 16
1.2.4.2 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVP 17
1.2.4.3 Cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của CTS 18
1.2.5 Các tính chất của keo bạc nano 20
1.2.5.1 Tính kháng khuẩn, kháng nấm của keo bạc nano 20
1.2.5.2 Các tính chất hóa lý của keo bạc nano 22
1.2.6 Tính chất quang học của keo bạc nano tổng hợp bằng phương pháp bức xạ γ -Co-60 24
1.3 Độ bền của hệ keo nano 27
1.3.1 Độ bền của hệ keo 27
1.3.2 Tác dụng keo tụ của chất điện ly 29
1.3.3 Lý thuyết bền của keo kỵ nước DLVO 29
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 32
2.1 Nguyên vật liệu, hóa chất 32
2.2 Thiết bị dụng cụ 33
2.3 Phương pháp thực nghiệm 34
2.3.1 Xác định ĐĐA% và Mw của Chitosan 34
2.3.2 Chế tạo mẫu keo bạc nano 34
2.3.3 Đo phổ Uv-vis 35
2.3.4 Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 36
2.3.5 Đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 37
2.3.6 Đo thế Zeta của keo bạc nano 38
2.3.7 Xác định hàm lượng bạc tổng số 39
Trang 52.3.8 Phân tích lượng Ag+ vết bằng phương pháp kích hoạt nơtron 39
2.3.9 Xác định hàm lượng nitrat theo TCVN 4562-88 41
2.3.10 Xác định hàm lượng axetandehyt (CH3CHO) 41
2.3.9 Khảo sát hiệu quả diệt vi khuẩn Staphylococcus aureus và hiệu lực kháng nấm Corticium salmonicolor của keo bạc nano 42
2.3.10 Khảo sát hiệu lực diệt nấm bệnh trên cây trồng 43
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BẠC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ SỬ DỤNG PVA VÀ PVP LÀM CHẤT Ổ ĐỊNH 44
3.1 Phổ hấp thụ Uv-vis của dung dịch bạc ion trước khi chiếu xạ……… 44
3.2 Nghiên cứu sử dụng PVA làm chất ổn định keo bạc nano 45
3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ PVA đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano 45
3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ ion bạc đến tính chất quang học, Dbh, dtb của keo bạc nano/PVA 49
3.2.3 Ảnh hưởng của chất bắt gốc tự do etanol đến đặc trưng của keo bạc nano/PVA 52
3.2.4 Ảnh hưởng của suất liều bức xạ đến các thông số đặc trưng keo bạc nano/PVA 54
3.2.5 Độ ổn định theo thời gian của keo bạc nano /PVA 55
3.2.6 Xác định thế điện động (ξ) của keo bạc nano/PVA 57
3.2.7 Nghiên cứu phổ XRD của bạc nano/PVA và PVA 57
3.3 Nghiên cứu sử dụng PVP làm chất ổn định keo bạc nano 58
3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ ion bạc đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/PVP 58
3.3.2 Ảnh hưởng khối lượng phân tử của PVP đến các thông số đặc trưng keo bạc nano 61
3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, loại chất bắt gốc tự đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/PVP 63
Trang 63.3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ etanol đến đặc trưng của keo bạc nano/PVP 63 3.3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của loại chất bắt gốc tự do khác nhau (etanol, isopropanol) đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/PVP 66
3.3.4 Ảnh hưởng của suất liều bức xạ đến các thơng số đặc trưng keo bạc nano/PVP 68 3.3.5 Độ ổn định theo thời gian của keo bạc nano/PVP 69 3.3.6 Thế điện động (ξ) và phổ XRD của bạc nano/PVP 71
3.4 Nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của loại polyme (PVA và PVP) đến dtb và
Dbh của keo bạc nano 73 3.5 Xác định hiệu suất chuyển hố và các chất độc hại của quá trình chế tạo keo bạc nano /PVA, bạc nano /PVP 74
CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BẠC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ SỬ DỤNG CHITOSAN VÀ CHITOSAN TAN NƯỚC LÀM CHẤT ỔN ĐỊNH 78 4.1 Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano sử dụng CTS làm chất ổn định 78
4.1.1 Phổ Uv-vis của dung dịch chitosan (CTS), CTS/Ag+ và keo bạc nano/CTS 78 4.1.2 Ảnh hưởng nồng độ ion bạc đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 79 4.1.3 Ảnh hưởng của chất bắt gốc tự do (etanol) đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 83 4.1.4 Ảnh hưởng của pH dung dịch trước chiếu xạ đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 85 4.1.5 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano 86 4.1.6 Ảnh hưởng khối lượng phân tử (Mw) của chitosan đến các thơng số đặc trưng của keo bạc nano 89
Trang 74.1.7 Ảnh hưởng độ đề axetyl (ĐĐA, %) của chitosan đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 92 4.1.8 Ảnh hưởng của suất liều bức xạ đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano/CTS 94 4.1.9 Độ ổn định của keo bạc nano/CTS theo thời gian 96 4.1.10 Thế zeta và phổ XRD của keo bạc nano/CTS 98
4.2 Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano sử dụng CTS tan trong nước làm chất ổn định 99
4.2.1 Ảnh hưởng nồng độ CTS tan nước đến các tính chất đặc trưng của keo bạc nano 99 4.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ ion bạc đến các đặc trưng của keo bạc nano/CTS tan trong nước 102 4.2.3 Độ ổn định của keo bạc nano/CTS tan trong nước theo thời gian lưu giữ 104 4.3.4 Phổ XRD của CTS tan trong nước, bạc nano/CTS tan trong nước và bạc khối 105
4.3 Xác định hiệu suất chuyển hóa, nồng độ nitrat và axetandehyt khi chế tạo bạc nano/CTS, CTS tan trong nước 106
CHƯƠNG 5 : NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA KEO BẠC NANO 109 5.1 Nghiên cứu độc tính của keo bạc nano (Phương pháp Behrens-Kaber) 109
5.2 Nghiên cứu hiệu quả ức chế vi khuẩn E.coli và S.aureus của keo bạc
nano/PVA 109 5.3 Nghiên cứu hiệu ứng kháng khuẩn và kháng nấm của bạc nano/CTS và bạc nano/PVP 111
5.3.1 Hiệu quả diệt vi khuẩn Staphylococcus aureus 111
5.3.2 Hiệu lực kháng nấm Corticium salmonicolor 114
Trang 85.3.3 Khảo sát hiệu lực kháng nấm Piricularia ozyaza (đạo ôn) và Pseudomonas
glumae Kuria et Tabei (lem lép hạt) trên lúa của bạc nano/CTS tan trong nước
116
KẾT LUẬN 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN LUẬN ÁN ĐƯỢC CÔNG BỐ 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC
Trang 9MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài
Khoa học và công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng tạo ra các vật liệu có kích thước trong khoảng 0,1-100nm Vật liệu được chế tạo bằng công nghệ nano thể hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở liên hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật Hiện nay, nhiều nước trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển, đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, sinh y, môi trường… Chế tạo hạt kim loại nano có kích thước theo yêu cầu và độ phân bố hẹp là mục tiêu của nhiều công trình nghiên cứu Đối với vật liệu nano, kích thước hạt là thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính của chúng do sự thay đổi diện tích tiếp xúc bề mặt Bạc, khi ở kích thước nano, hoạt tính sát khuẩn tăng lên khoảng 50.000 lần so với bạc ion Khả năng sát khuẩn cao của bạc nano đã thu hút nhiều
sự quan tâm nghiên cứu
Ngày nay, trước sự gia tăng các loại vi sinh vật gây bệnh kháng thuốc kháng sinh, các loại nấm gây bệnh thực vật thiếu thuốc đặc trị thì việc nghiên cứu chế tạo sản phẩm chứa bạc nano để tiêu diệt chúng là hướng đi mới và cấp thiết
Nhiều kết quả nghiên cứu chế tạo bạc nano bằng bức xạ gamma Co-60 đều xác nhận phương pháp này có nhiều ưu điểm như: quá trình xảy ra ở nhiệt độ thường, sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước hạt đồng đều và có khả năng sản xuất với khối lượng lớn
Từ những thông tin ở trên, chúng tôi tiến hành chọn và thực
hiện đề tài luận án: “Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng bức xạ
Trang 10gamma Co-60 và một số ứng dụng của chúng trong y học và nông nghiệp”
2 Cơ sở khoa học của đề tài
Đề tài được tiến hành dựa trên các kết quả nghiên cứu chế tạo keo bạc nano và thử nghiệm hiệu lực diệt vi khuẩn, nấm bệnh của chúng trên cơ sở tham khảo một số công trình đã công bố
3 Mục tiêu của đề tài
Bằng phương pháp tiếp cận hệ thống, chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo bạc nano bằng phương pháp bức xạ gamma Co-
60, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến các thông số đặc trưng và tính chất keo bạc Từ kết quả nghiên cứu, tìm điều kiện thích hợp chế tạo vật liệu bạc nano để ứng dụng làm chất sát khuẩn trong y tế
và trừ nấm bệnh trong nông nghiệp
4 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu sự phụ thuộc của liều xạ chuyển hóa bão hòa (Dbh) vào nồng độ ion bạc ban đầu, nồng độ và khối lượng phân tử (KLPT) polyme ổn định, nồng độ-loại chất bắt gốc tự do
- Nghiên cứu mối liên quan giữa kích thước trung bình (dtb) và phân bố kích thước hạt bạc vào các yếu tố ảnh hưởng
- Nghiên cứu tính chất điện hóa và độ bền của keo bạc nano
- Khảo sát độc tính, hiệu ứng diệt khuẩn và nấm bệnh của keo bạc nano nhằm ứng dụng trong y tế và nông nghiệp
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo cho việc chế tạo keo kim loại nano bằng phương pháp bức xạ Từ kết quả của luận án, cho phép xây dựng quy trình công nghệ sản xuất keo bạc nano với số lượng lớn đáp ứng nhu
Trang 11cầu sử dụng làm chất sát khuẩn trong y tế, môi trường, xúc tác…và chất trừ nấm bệnh trong nông nghiệp
6 Đóng góp mới của đề tài
- Lần đầu tiên nghiên cứu một cách hệ thống và sử dụng thành công nguồn bức xạ gamma Co-60 trong nước có suất liều 1,3kGy và 0,7kGy để diều chế bạc nano từ dung dịch có chứa bạc nitrat, các chất ổn định polyvinyl ancohol (PVA), polyvinyl pyrrolidon (PVP), chitosan (CTS) và chitosan tan trong nước (CTS tan trong nước) Cũng lần đầu tiên nghiên cứu ảnh hưởng của độ đề axetyl (ĐĐA) của chitosan tới kích thước hạt bạc và nghiên cứu sử dụng chitosan có ĐĐA ∼50% (chitosan tan trong nước) làm chất ổn định keo bạc chế tạo bằng phương pháp bức xạ
- Đã nghiên cứu sử dụng hiệu quả sản phẩm chitosan của Việt Nam để làm chất ổn định trong quá trình điều chế keo bạc nano bằng phương pháp chiếu xạ gamma
- Đã nghiên cứu và chứng minh keo bạc nano điều chế được có hiệu lực cao trong việc diệt khuẩn, trừ nấm bệnh đặc biệt là bệnh đạo
ôn đối với giống lúa Nhị Ưu 838 và bệnh lem lép hạt đối với giống lúa VND 95-20
+Bố cục của luận án:
Luận án bao gồm 122 trang, gồm các phần: Mở đầu (3 trang), chương 1: Tổng quan (28 trang), chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm (12 trang), phần kết quả và thảo luận gồm 3 chương, chương 3: Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng phương pháp bức xạ sử dụng PVA và PVP làm chất ổn định ( 34 trang), chương 4: Nghiên cứu chế tạo keo bạc nano bằng phương pháp bức xạ sử dụng CTS, CTS tan trong nước làm chất ổn định (31 trang), chương 5: Nghiên cứu hoạt tính sinh học của keo bạc nano (12 trang), kết luận (2 trang), các
Trang 12công trình đã công bố liên quan đến luận án (1 trang) Luận án có 96 tài liệu tham khảo (9 trang), 64 bảng số liệu, 65 hình minh họa, 40 trang phụ lục
Chương 1:TỔNG QUAN
Phần tổng quan, bao gồm các nội dung:
- Giới thiệu về bạc và vai trò của bạc
- Các kết quả nghiên cứu về vật liệu bạc nano trong và ngoài nước,
cơ sở lý thuyết chế tạo bạc nano bằng các phương pháp khác nhau như: Bay hơi vật lí, ăn mòn laze, phân hủy nhiệt, phương pháp điện hóa, quang hóa, siêu âm, vi sóng điện từ, phản ứng thế, khử hóa học
và phương pháp khử hóa học bức xạ Trong phần này trình bày cơ chế của phương pháp khử hóa bức xạ, cấu tạo và cơ chế ổn định hạt bạc nano của các polyme PVA, PVP và CTS
- Các tính chất của keo bạc nano bao gồm tính kháng khuẩn, các tính chất hóa lý (tính chất động học, tính chất điện, tính chất quang học)
- Độ bền của hệ keo và các phương pháp làm bền keo bạc nano
Những vấn đề còn tồn tại trong việc nghiên cứu chế tạo keo
bạc nano và công việc đề tài cần tập trung nghiên cứu
Vật liệu kim loại nano nói chung và bạc nano nói riêng đã được các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau.Tuy nhiên, các nghiên cứu tìm quy trình giảm giá thành sản phẩm, các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và độ đồng điều của hạt bạc nano vẫn đang được tiếp tục thực hiện Phương pháp bức xạ chế tạo bạc nano, mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng hiện nay việc nghiên cứu có hệ thống để tìm điều kiện tối ưu trong quá trình sản xuất vẫn chưa được thực hiện.Vì vậy, phương pháp chế tạo bạc nano bằng bức xạ cần được tiếp tục nghiên cứu với những nội dung:
Trang 13- Nghiên cứu sự phụ thuộc của đặc trưng các tính chất keo bạc nano vào các yếu tố như nồng độ ion bạc, nồng độ-loại-KLPT polyme ổn định, nồng độ-loại-KLPT chất bắt gốc tự do, pH môi trường, liều xạ và suất liều bức xạ
- Nghiên cứu độ ổn định của keo bạc và hiệu lực diệt vi khuẩn, nấm bệnh của chúng nhằm ứng dụng trong các mục tiêu khác nhau của sản xuất và đời sống
Chương 2: VẬT LIỆU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên vật liệu-hóa chất
- Bạc nitrat (AgNO3), Etanol (C2H5OH) và các hóa chất khác, PA
- Polyvinyl pyrolidon (PVP), Polyvinyl ancol (PVA), Chitosan (CTS) có độ đề axetyl (ĐĐA) ∼50% (CTS tan trong nước), 70%, 90% có khối lượng phân tử trung bình (Mw) 3,5 – 460kDa
- Chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus, Escherichia coli và giống nấm Corticicum salmonicolor
- Nấm bệnh trên thực vật: Lem lép hạt (Pseudomonas glumae
Kurita.et Tabei), đạo ôn (Piricularia oryzae Cavara) được nghiên
cứu trực tiếp trên đồng ruộng
2.2 Phương pháp nghiên cứu
- ĐĐA% của chitosan được xác định theo phương pháp phổ hồng ngoại (IR spectra), A1320/A1420 = 0,3822 + 0,03133 × ĐĐA, trong
đó ĐĐA là độ axetyl, A là cường độ hấp thụ tại đỉnh 1320 và 1420 trên phổ IR
- Khối lượng phân tử Mw của chitosan được xác định theo phương pháp sắc ký gel thấm qua
Trang 14+ Chế tạo mẫu keo bạc nano:
Hoà tan
Dung dịch
Polyme H2O
(hoặc dung dịch axít lactic)
Chất bắt gốc
tự do
AgNO3
Chiếu xạ gamma (1,3kGy/h)
Ghi chú: Nghiên cứu ảnh hưởng của suất liều bức xạ, sử dụng thêm
các nguồn 0,7kGy/h và 7kGy/h
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình chế tạo mẫu keo bạc nano
- Xác định liều xạ chuyển hóa bão hòa (Dbh) và suy đoán sự thay đổi kích thước hạt bạc sử dụng phương pháp đo phổ UV-vis,
- Xác định kích thước và phân bố kích thước hạt bạc được tính
từ ảnh TEM (chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua) sử dụng phần mềm Photoshop CS2, Version 9.0 và thuật toán xử lý số liệu thống
- Hàm lượng nitrat trong keo bạc xác định theo TCVN4562-88
Trang 15- Sử dụng phương pháp sắc ký khối phổ (GC-MS) xác định lượng axetalđehyt sinh ra do phản ứng khử ion bạc
- Sử dụng phương pháp gây độc môi trường để xác định hiệu
quả diệt khuẩn E.coli, S aureus và nấm Coticium Slamonicolor của
keo bạc nano
- Thử nghiệm trực tiếp trên ruộng lúa để khảo sát hiệu lực diệt
nấm bệnh đạo ôn (Piricularia oryzae Cavara) và lem lép hạt
Chương 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BẠC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ SỬ DỤNG POLYVINYL ALCOL
VÀ POLYVINYL PYROLIDON LÀM CHẤT
ỔN ĐỊNH 3.1 Phổ hấp thụ UV-vis của dung dịch ion bạc và polyme ổn định trước khi chiếu xạ
d) PVP-K90 2% (w/v)
e)PVPK902%(w/v)/Etanol 10%(v/v)/Ag+10mM
Hình 3.1: Phổ hấp thụ UV-vis của các dung dịch trước chiếu xạ
Trang 16Đỉnh hấp thụ UV-vis đặc trưng của bạc nano nằm trong vùng
bước sóng 390 - 440nm phụ thuộc vào kích thước hạt Kết quả trên hình 3.1 chứng tỏ, các mẫu dung dịch ion bạc trước chiếu xạ không chứa bạc kim loại ở dạng nano
3.2 Nghiên cứu sử dụng PVA làm chất ổn định keo bạc nano
3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ PVA đến các thông số đặc trưng của keo bạc nano
Mật độ quang của các mẫu keo bạc nano 20mM tăng theo liều
xạ và đạt giá trị bão hoà tại 16 kGy (Dbh)
0 6 12 18 24 30 36
PVA 0,5 %/Ag - 20mM