Tổng hợp các hạt nano bạc bằng phương pháp khử hóa với glucozơ để làm chất kháng khuẩn trong xử lý nước uống

3 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG G TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC Đề tài: TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA VỚI GLUCOZƠ ĐỂ LÀM CHẤT SÁT KHUẨN TRONG XỬ LÝ NƯỚC UỐNG KHÓA LUẬN

1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA HỌC

HUỲNH VŨ QUYÊN

Đề tài:

TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA VỚI GLUCOZƠ ĐỂ

2

Đà Nẵng, 2011

3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG G TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA HỌC

Đề tài:

TỔNG HỢP CÁC HẠT NANO BẠC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA VỚI GLUCOZƠ ĐỂ

LÀM CHẤT SÁT KHUẨN TRONG

XỬ LÝ NƯỚC UỐNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Bá Trung

Đà Nẵng, 2011

4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Huỳnh Vũ Quyên

Lớp : 09CHD

1 Tên đề tài:

“Tổng hợp các hạt nano bạc bằng phương pháp khử hóa với glucozơ để làm chất

kháng khuẩn trong xử lý nước uống”

2 Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị:

- Hóa chất được sử dụng cho quá trình nghiên cứu gồm: AgNO3(99,98%), Gelatin, D-glucozơ, NaOH (99%) đều là hóa chất tinh khiết, sản xuất tại Trung Quốc Môi trường nuôi cấy E.Coli mua từ hãng Merck của Đức

- Nước cất được sử dụng trong nghiên cứu là nước cất 2 lần

- Vi khuẩn gốc Escherichia coli (E coli) và Staphylococcus aureus (S aure) được cung cấp từ khoa vi sinh, Bệnh viện Đà Nẵng trong môi trường nuôi cấy thạch nghiêng Trước khi nghiên cứu, mẫu được cấy chuyển vào đĩa petry để tạo khuẩn gốc mới

3 Nội dung nghiên cứu:

- Tổng hợp các hạt nano bạc có kích thước nhỏ và bền trong môi trường phân tán

- Đánh giá khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo bạc nano điều chế được với chủng vi khuẩn Gram (-) và Gram (+) để triển khai ứng dụng trong xử lý nước uống cấp

4 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Trung

5 Ngày giao đề tài: Tháng 10/ 2012

6 Ngày hoàn thành đề tài: Tháng 5/2013

Chủ nhiệm khoa Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho khoa ngày… tháng……năm 2013

Kết quả kiểm tra đánh giá

5

Ngày……tháng……năm 2013

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Từ xa xưa, bạc được biết đến là chất có khả năng kháng khuẩn và đã được dùng

để sản xuất dụng cụ chứa thực phẩm nhằm hạn chế sự nhiễm khuẩn Trong chiến tranh thế giới thứ nhất, trước khi thuốc kháng sinh ra đời, người ta thậm chí còn sử dụng các sản phẩm từ bạc để điều trị nhiễm trùng[1] Ở kích thước nano, bạc thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh, giảm thời gian tiêu diệt vi khuẩn xuống mức gần như tức thời mà không ảnh hưởng đến động vật có vú Điều này được giải thích là do tỉ lệ bạc nguyên

tử trong đơn vị diện tích bề mặt của bạc ở kích thước nano lớn hơn so với bạc khối và bạc micro

Chính vì vậy, trong những năm gần đây, bạc nano (AgNP) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau như y sinh học, cảm biến sinh học, vật liệu kháng khuẩn trong y tế, dược và sản xuất vật liệu gia dụng,

Đã có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp nano bạc bằng các phương pháp khác nhau Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến là dùng các tác nhân hóa học để khử ion Ag+ thành AgNP Các chất khử được sử dụng phổ biến là NaBH4, Etylene glycol Bạc được tạo thành bằng phương pháp này thường tồn lưu các chất hóa học ban đầu trên sản phẩm nên có thể ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng Điều chế các hạt nano bạc bằng phương pháp “tổng hợp xanh” là xu hướng lựa chọn của các nhà khoa học trên thế giới hiện nay Theo phương pháp này, các chất khử thiên nhiên như dịch chiết từ lá cây (cây bàng, cây me, trà xanh ), glucozơ được lựa chọn Trong số các hợp chất “xanh” đó, glucozơ là hợp chất hữu cơ thiên nhiên rẻ tiền, không độc hại, thể hiện là một tác nhân khử có nhiều ưu điểm

7

Với mục đích sử dụng AgNP được điều chế từ AgNO3 sử dụng glucozơ làm chất khử dùng để xử lý nước uống cấp là một hướng lựa chọn có tính khả thi cao Để duy trì trạng thái nano của bạc, việc lựa chọn tác nhân làm bền cũng là điều thiết yếu cần quan tâm Gelatin là một polyme sinh học không độc, có tính tương hợp sinh học cao đã được sử dụng là chất làm bền trong nghiên cứu này

Vì vậy chúng tôi chon đề tài “Tổng hợp các hạt nano bạc bằng phương pháp

khử hóa với glucozơ để làm chất kháng khuẩn trong xử lý nước uống”

3 Ý nghĩa của đề tài

Hiện nay, các thuốc sát khuẩn trong xử lý nước uống cấp trên thị trường Việt Nam rất ít, chủ yếu là người ta sử dụng KMnO4 để xử lý nước uống cấp Việc điều chế một dung dịch sát khuẩn có giá thành rẻ, hiệu quả cao là điều cần thiết Vì vậy, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao trong ngành công nghiệp sản xuất thuốc sát khuẩn nói chung và trong xử lý nước uống cấp nói riêng

1.1 Khái quát công nghệ nano

1.2 Các phương pháp điều chế vật liệu nano

1.3 Các phương pháp vật lý nghiên cứu vật liệu nano

2.2 Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của nồng độ Glucozơ đến quá trình tổng hợp AgNO3

3.2 Ảnh hưởng của NaOH đến quá trình tổng hợp AgNP

3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

3.4 Ảnh hưởng của chất làm bền

3.5 Ảnh hưởng của độ bền qua thời gian

3.6 Phân tích các đặc trưng vật lý

3.6.1 Phương pháp đo quang phổ hấp thụ UV-vis

3.6.2 Phương pháp chụp TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua)

3.7 Đánh giá khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo AgNP

3.8 Đánh giá khả năng sát khuẩn của dung dịch nano bạc trong nước

KẾT LUẬN

o Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu, chúng tôi có một số kết luận như sau:

- Đã khảo sát được điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp dung dịch keo AgNP từ AgNO3 với chất khử glucozơ và làm bền bằng dung dịch gelatin Dung dịch keo AgNP

ta thu được có kích thước nhỏ và khả năng phân tán đều, bền qua thời gian

Nồng độ AgNO3: 8mM

- Đã khẳng định được khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo AgNP điều chế được với 2 chủng vi khuẩn Gram (-) E.coli và Gram (+) Staphylococcus

9

- Đã khẳng định được ứng dụng của dung dịch keo AgNP dùng làm chất sát khuẩn trong xử lý nước uống cấp

o Định hướng và đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo

- Thử nghiệm tính kháng khuẩn của nano bạc với các chủng vi khuẩn gây bệnh khác

- Xác định nồng độ tối thiểu và thời gian tối ưu để có dung dịch có khả năng sát khuẩn tốt nhất

- Nghiên cứu cơ chế tác động của hạt nano bạc lên vi khuẩn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Springer Handbook of NanoTechnology, 2004, p.1258

[2] Maribel G Guzmán, Jean Dille, Stephan Godet./ World Academy of Science, Engineering and Technology 43 2008

[3] Kargov Sl, Korolev Nl, et al, Mol Biol (Mosk), 1986 Nov-Dec, 20(6), p.505-1499 [4] Silver Nanoparticles: A Case Study in Cutting Edge Research Cnx.org

[5] Majid Darroudi, et al, Int J Mol Sci 2010, 11, p.3898-3905

MỞ ĐẦU

4 Đặt vấn đề

Ngày nay, phát triển của công nghệ nano nghiên cứu những vật liệu có kích thước nano mét đã làm thay đổi hiệu quả thành tựu khoa học công nghệ Với kích thước 10-9m, vật liệu nano có những tính chất vô cùng độc đáo mà những vật liệu có kích thước lớn hơn không có được như độ bền cơ học cao, hoạt tính xúc tác lớn, tính siêu thuận từ, các tính chất nổi trội về điện, quang Chính những ưu việt này đã mở ra

10

nhiều ứng dụng cho vật liệu nano ở nhiều lĩnh vực: công nghệ điện tử, năng lượng, môi trường, y tế

Từ xa xưa, bạc được biết đến là chất có khả năng kháng khuẩn và đã được dùng

để sản xuất dụng cụ chứa thực phẩm nhằm hạn chế sự nhiễm khuẩn Trong chiến tranh thế giới thứ nhất, trước khi thuốc kháng sinh ra đời, người ta thậm chí còn sử dụng các sản phẩm từ bạc để điều trị nhiễm trùng[1] Ở kích thước nano, bạc thể hiện khả năng kháng khuẩn mạnh, giảm thời gian tiêu diệt vi khuẩn xuống mức gần như tức thời mà không ảnh hưởng đến động vật có vú Điều này được giải thích là do tỉ lệ bạc nguyên

tử trong đơn vị diện tích bề mặt của bạc ở kích thước nano lớn hơn so với bạc khối và bạc micro

Chính vì vậy, trong những năm gần đây, bạc nano (AgNP) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau như y sinh học, cảm biến sinh học, vật liệu kháng khuẩn trong y tế, dược và sản xuất vật liệu gia dụng,

Đã có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp nano bạc bằng các phương pháp khác nhau Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến là dùng các tác nhân hóa học để khử ion Ag+ thành AgNP Các chất khử được sử dụng phổ biến là NaBH4, Etylene glycol Bạc được tạo thành bằng phương pháp này thường tồn lưu các chất hóa học ban đầu trên sản phẩm nên có thể ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng Điều chế các hạt nano bạc bằng phương pháp “tổng hợp xanh” là xu hướng lựa chọn của các nhà khoa học trên thế giới hiện nay Theo phương pháp này, các chất khử thiên nhiên như dịch chiết từ lá cây (cây bàng, cây me, trà xanh ), glucozơ được lựa chọn Trong số các hợp chất “xanh” đó, glucozơ là hợp chất hữu cơ thiên nhiên rẻ tiền, không độc hại, thể hiện là một tác nhân khử có nhiều ưu điểm

Với mục đích sử dụng AgNP được điều chế từ AgNO3 sử dụng glucozơ làm chất khử dùng để xử lý nước uống cấp là một hướng lựa chọn có tính khả thi cao Để duy trì trạng thái nano của bạc, việc lựa chọn tác nhân làm bền cũng là điều thiết yếu cần quan tâm Gelatin là một polyme sinh học không độc, có tính tương hợp sinh học cao đã được sử dụng là chất làm bền trong nghiên cứu này

Vì vậy chúng tôi chon đề tài “Tổng hợp các hạt nano bạc bằng phương pháp

khử hóa với glucozơ để làm chất kháng khuẩn trong xử lý nước uống”

6 Ý nghĩa của đề tài

Hiện nay, các thuốc sát khuẩn trong xử lý nước uống cấp trên thị trường Việt Nam rất ít, chủ yếu là người ta sử dụng KMnO4 để xử lý nước uống cấp Việc điều chế một dung dịch sát khuẩn có giá thành rẻ, hiệu quả cao là điều cần thiết Vì vậy, đề tài có ý nghĩa ứng dụng cao trong ngành công nghiệp sản xuất thuốc sát khuẩn nói chung và trong xử lý nước uống cấp nói riêng

12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Khái quát công nghệ nano

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ nano[2]

Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên qui mô nano mét (nm, 1nm=10-9m) Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích mặt ngoài

Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ Richard Feynman Ngày 29/12/1959, tiến sỹ Richard P Feynman có một cuộc nói chuyện thường niên với Hội Vật lý Mỹ tại khuôn viên Viện công nghệ California với nhan đề: “There’s Plenty of Roomat the Bottom” (tạm dịch: ”Có rất nhiều chỗ trống ở miệt dưới”) Bài phát biểu này mở ra hướng về công nghệ nano và được coi là khai sinh ra ngành khoa học và công nghệ nano

1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano[3]

Công nghệ nano dựa trên các cơ sở khoa học chính sau đây:

- Chuyển từ tính chất cổ điển sang tính chất lượng tử: Ở mức độ vĩ mô các tính

chất vật lý của vật chất có thể giải thích bởi các định luật cơ học của Newton Tuy nhiên, khi kích thước vật chất ở mức nano mét hay nhỏ hơn thì các giải thích theo định luật của Newton không còn chính xác Để giải thích các hiện tượng vật lý của vật chất

ở mức độ này, một mảng vật lý mới đã ra đời với tên gọi “cơ học lượng tử” Cơ học lượng tử giải thích chính xác các hiện tượng vật lý xảy ra ở mức độ vi mô Ở mức độ này, các tính chất lượng tử của vật chất được thể hiện rõ nét

- Hiệu ứng bề mặt: Cùng một khối lượng nhưng khi vật liệu ở kích thước nano

mét, số các nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỷ lệ đáng kể so với tổng số nguyên

13

tử Chính vì vậy, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt sẽ trở nên quan trọng, làm cho tính chất vật liệu có kích thước nano khác biệt so với vật liệu dạng khối Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano liên quan tới khả năng tiếp xúc bề mặt của vật liệu như xúc tác, cảm biến sinh học, diệt khuẩn

- Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nano mét: Là việc tạo ra các

thiết bị máy móc để quan sát hay là can thiệp vào các hạt nano hay các cấu trúc nano

- Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một

giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi, người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của 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 hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến 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 đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu Các tính chất khác như tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hóa học khác đều có độ dài tới hạn trong khoảng nm Chính vì thế mà người

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

Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu[3]

14

Tính chất quang

Tính siêu dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100

Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10

1.1.3 Quá trình phát triển của công nghệ nano trên thế giới và tại Việt Nam:

1.1.3.1 Trên thế giới[4]

Công nghệ nano là ngành công nghệ mới nhưng tiềm năng ứng dụng của nó là rất lớn, có khả năng làm thay đổi toàn diện bộ mặt cuộc sống của chúng ta Chính vì vậy, ngay từ khi ra đời, công nghệ nano đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học và công nghệ trên toàn thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển Hầu hết các quốc gia và các khu vực kinh tế trên thế giới đã và đang không ngừng đầu tư nguồn tài chính khổng lồ để đạt được những mục tiêu nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới này Cùng với công nghệ thông tin và công nghệ sinh học, công nghệ nano sẽ là công nghệ của thế kỷ 21và được xem là đòn bẩy để thay đổi nền kinh tế thế giới

15

Đi tiên phong trong phong trào đầu tư cho công nghệ nano là Mỹ Bằng việc đầu tư một lượng lớn tài chính để xây dựng những trung tâm, phòng thí nghiệm, viện nghiên cứu đào tạo về công nghệ nano Cho đến nay, Mỹ đã đạt được nhiều thành tựu

to lớn từ công nghệ này

Hình 1.1: Bảng đồ phân bố công nghệ nano trên thế giới

Tiếp theo Mỹ, liên minh châu Âu với tiềm lực kinh tế to lớn của mình đã đầu tư phát triển công nghệ nano Tại châu Á, một số quốc gia có nền khoa học công nghệ tiên tiến cũng đang tham gia đầu tư vào công nghệ này, nổi bật trong số đó là Nhật Bản, Trung Quốc Các quốc gia như Hàn Quốc, Ấn Độ, Đài Loan đã và đang không ngừng đầu tư và phát triển công nghệ nano

1.1.3.2 Tại Việt Nam [5]

Cũng như hầu hết các nước trên thế giới, Việt Nam coi công nghệ nano là một trong những lĩnh vực cần đầu tư và phát triển trong những năm tới Hiện nay, nước ta

đã có một số phòng thí nghiệm nghiên cứu về khoa học, công nghệ nano như: Viện Vật lý và Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ, Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu, Viện Vật lý kỹ thuật Một số trường như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia

Hà Nội, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh cũng đầu tư nghiên cứu về công nghệ mới

16

này Số các nhà máy có sản phẩm ứng dụng công nghệ nano đang không ngừng tăng lên Có thể nói, tuy hơi muộn, nhưng Việt Nam đã bắt kịp sự phát triển của công nghệ nano và hứa hẹn sẽ đem lại nhiều thay đổi lớn cho nền kinh tế đất nước

1.2 Các phương pháp điều chế vật liệu nano

Về cơ bản có hai phương pháp được sử dụng để chế tạo vật liệu nano: phương pháp từ trên xuống và phương pháp từ dưới lên Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ tập hợp các nguyên tử

1.2.1 Phương pháp từ trên xuống

Ở phương pháp này, người ta dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để chuyển các vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô về cỡ hạt có kích thước nano Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thước khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu) Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong cối Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi

là nghiền kiểu hành tinh) Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều Phương pháp biến dạng được sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cự lớn (có thể

>10nm) mà không làm phá huỷ vật liệu, đó là các phương pháp SPD điển hình Nhiệt

độ có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì được gọi là biến dạng nóng Ngược lại, gọi là biến dạng nguội Kết quả thu được là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm) Ngoài ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano

17

1.2.2 Phương pháp từ dưới lên

Với phương pháp này, vật liệu nano được hình thành từ các nguyên tử hoặc ion Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sản phẩm cuối cùng Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý,

hóa học hoặc kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý

pha Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang) Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình - tinh thể (kết tinh) (phương pháp nguội nhanh) Phương pháp vật lý thường được dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ:

ổ cứng máy tính

hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phương pháp hóa học thành hai loại: hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phương pháp kết tủa, sol-gel, ) và từ pha khí (nhiệt phân, ) Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,

vật lý và hóa học như: điện phân, ngưng tụ từ pha khí, Phương pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,

1.3 Các phương pháp vật lý nghiên cứu vật liệu nano

 Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoạt động trên nguyên tắc giống thấu kính quang học, chỉ khác là sử dụng sóng điện tử thay cho bước sóng ánh sáng nên có

18

bước sóng rất ngắn) và sử dụng các thấu kính điện từ thay cho thấu kính quang học [6]

Hình 1.2: Mô hình nguyên lý của TEM so với kính hiển vi quang học

 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

XRD là một công nghệ sử dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu để xác định tinh thể và tính chất cấu trúc và phát hiện ra sự khiếm khuyết tinh thể Thậm chí vật liệu mao quản trung bình trật tự là vật liệu vô định hình trên diện ngắn nhưng khi ta xét ở trên diện rộng hơn thì nó vẫn tạo ra mẫu nhiễu xạ phân biệt ở các góc trong khoảng từ 0O< 2 θ <5O

 Phổ hồng ngoại ( IR)

Khi bức xạ hồng ngoại tương tác với vật chất gây ra các liên kết hóa học trong vật chất dao động Nhóm chức trong mẫu riêng có xu hướng hấp thụ bức xạ hồng ngoại có cùng bước sóng Phổ IR thu được bằng cách phát hiện sự thay đổi cường độ truyền qua (hoặc hấp thụ) theo tần số Các thiết bị hầu hết phân biệt và đo bức xạ IR sử dụng máy đo phổ phân tán hoặc máy đo phổ biến đổi Fourier Máy đo phổ biến đổi Fourier gần đây thay thế dụng cụ phân tán do tốc độ siêu nhanh và nhạy của chúng Chúng được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực mà khó hoặc gần như không thể phân tích bằng dụng cụ phân tán

 Phương pháp phân tích nhiệt (TA)

Trong phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA người ta theo dõi sự biến đổi khối lượng của mẫu phân tích theo nhiệt độ nhờ thiết bị gọi là “cân nhiệt” Chương

19

trình nhiệt độ được điều khiển bằng máy tính cho phép ấn định khoảng nhiệt độ cần theo dõi tốc độ tăng nhiệt trong lò nung Khi đã biết tốc độ tăng nhiệt theo thời gian thì việc theo dõi sự biến đổi của mẫu theo thời gian cũng có giá trị như là nhiệt độ Nếu ghi sự biến đổi khối lượng (tính theo % so với khối lượng ban đầu của mẫu) theo nhiệt

độ thì đường cong gọi là đường TG hay TGA Để nghiên cứu chi tiết hơn người ta ghi tốc độ của sự biến đổi khối lượng tức là ghi đường dm/dt Đường cong thu được gọi là đường DTG hay DTGA Sử dụng phối hợp đường DTG với đường TG có ưu điểm là cho biết chính xác hơn nhiệt độ bắt đầu xảy ra và kết thúc của quá trình biến đổi khối lượng của chất nghiên cứu và nó cho biết rõ ràng các giai đoạn chồng lấp của quá trình Vì vậy, trên giản đồ phân tích người ta thường ghi cả 2 đường TG và TGA

Phương pháp phân tích nhiệt vi phân DTA có tham số được theo dõi là hiệu số λ± Δ T giữa nhiệt độ của mẫu phân tích và nhiệt độ của mẫu chuẩn hoặc của môi trường Chất chuẩn được chọn sao cho trong khoảng nhiệt độ nghiên cứu nó hấp thụ nhiệt chỉ để nóng lên mà không có bất kí hiệu ứng thu nhiệt hay tỏa nhiệt nào khác Như thế, tuy cùng nằm trong một chế độ gia nhiệt như nhau nhưng mỗi khi mẫu nghiên cứu xảy ra một quá trình thu nhiệt hay tỏa nhiệt thì nhiệt độ của nó chênh lệch

so với chất chuẩn

1.4 Ứng dụng công nghệ nano[7]

Tuy mới ra đời chưa lâu, khoảng từ năm 1981 đến nay, nhưng công nghệ nano

đã không ngừng phát triển, các sản phẩm ứng dụng công nghệ nano có mặt trên tất cả mọi lĩnh vực đánh dấu sự phát triển vượt bậc của nó Một số lĩnh vực mà công nghệ nano đang có nhiều ứng dụng cũng như là tiềm năng của nó như sau:

- Điện tử và cơ khí:

Rất nhiều hãng máy tính lớn trên thế giới đang nghiên cứu chế tạo các linh kiện máy tính dựa trên công nghệ nano Những máy tính này có các linh kiện được thiết kế thông qua việc xắp xếp các nguyên tử mới có khả năng lưu giữ và xử lý thông tin lớn gấp nhiều lần so với các máy tính hiện nay Hiện nay, trên thị trường đã xuất hiện những con chíp có khả năng xử lý tín hiệu ở tốc độ cao Ngoài ra, những sản phẩm

20

điện tử như máy nghe nhạc ipod, điện thoại di động ứng dụng công nghệ nano cũng

đã được tung ra thị trường như một cơn sốt công nghệ

Các bóng đèn, các bảng hiển thị thông tin, các loại màn hình máy tính có sợi tóc là ống nano carbon ngày càng có mặt nhiều trên thị trường

Trong lĩnh vực cơ khí thì công nghệ nano hiện nay đã xâm nhập và phát triển nhiều nhất trong ngành công nghiệp ô tô Những sản phẩm như gương kính ô tô, sơn phủ tất cả đang tạo ra một cuộc chạy đua công nghệ

- Y học:

Chẩn đoán ung thư và các bệnh truyền nhiễm: các thiết bị chẩn đoán bệnh điển hình như kính hiển vi lực nguyên tử, các chíp điện tử ứng dụng công nghệ nano đã được đưa vào sử dụng Bằng các thiết bị này, các bác sỹ có thể chẩn đoán bệnh sớm nhất Đây có thể coi là một bươc đột phá của y học hiện đại Ngoài ra người ta cũng đang nghiên cứu và đưa vào thử nghiệm các robot nano có khả năng mang thuốc đến các mô bệnh để tiêu diệt bệnh một cách triệt để

- Năng lượng:

Năng lượng là một vấn đề toàn cầu, có trở nên bức xúc khi nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng trong khi các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt Công nghệ nano đã góp phần giải quyết vấn đề toàn cầu này Nhờ công nghệ này chúng ta có thể tạo ra các loại pin với năng lượng cao, thời gian sử dụng dài, nó đang

là chìa khóa cho vấn đề năng lượng Những loại pin này có khả năng quang hợp nhân tạo do đó tạo ra được nguồn năng lượng sạch Ngoài ra, các thiết bị có ứng dụng công nghệ nano với kích thước nhỏ gọn nên năng lượng tiêu hao ít, góp phần tiết kiệm năng lượng đáng kể Hơn nữa với các màng mỏng bằng công nghệ nano sẽ hấp thu được nhiều năng lượng mặt trời so với các loại pin quang điện hiện nay, do đó nó có thể khởi động cho cuộc cách mạng sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay

- Môi trường:

Người ta đã chế tạo được những màng lọc nước thải thông minh có khả năng lọc các phần tử rất nhỏ có trong nước thải Công nghệ này hiện đang được áp dụng rất

Bạc là một nguyên tố kim loại chuyển tiếp điển hình, có ký hiệu hóa học là Ag,

có số hiệu nguyên tử 47, thuộc nhóm IB trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Khối lượng nguyên tử là 107,868 đvC

Bạc có màu trắng, sáng, dễ dàng dát mỏng, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao nhất

và điện trở thấp nhất trong các kim loại Trong tự nhiên, bạc tồn tại ở hai dạng đồng vị bền là 107Ag (51,839%) và 109Ag (48,161%)

Cấu hình electron là [Kr]4d105s1 Số oxi hóa phổ biến nhất của Ag là +1 (AgNO3), ít phổ biến hơn là +2 (AgI2)

Bạc không tan trong nước nhưng có khả năng tan trong một số axit mạnh như axit nitric, axit sunfuric đặc nóng

1.5.2 Phương pháp điều chế nano bạc

Một số phương pháp điển hình để điều chế nano bạc sau:

- Phương pháp ăn mòn laze: Đây là một phương pháp từ trên xuống Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa chất hoạt động bề mặt Một chùm Laser xung 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 laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt anion CnH2n+1SO3Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M

- Phương pháp khử hóa học: Dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành 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 là AgNO3 Tác nhân khử thường được sử dụng là các chất hóa học như Citric

22

acid, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, Ethanol (cồn), Ethylene Glycol [8] 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 làm bền bằng chất hoạt hóa bề mặt B ả o v ệ b ằ n g phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử Phương pháp sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc hợp chất cao phân tử được sử dụng rộng rãi Bằng phương pháp hóa học, người ta có thể chế tạo được các hạt nano có kích thước từ 10 đến 100nm

- Phương pháp khử vật lý: Dùng các tác nhân vật lí như điện tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamma, tia tử ngoại, tia laser để khử ion kim loại thành kim loại Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, 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 kim loại Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500 nm, độ dài xung 6 ns, 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 Sulfate (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu được hạt nano bạc

- Phương pháp khử sinh học: Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại Người

ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng lớn [9]

1.5.3 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của nano bạc [10]

Plasmon bề mặt là sự dao động của điện tử tự do ở bề mặt của hạt nano với sự kích thích của ánh sáng tới Khi kích thước của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xuất hiện Cường độ điện trường của plasmon bề mặt giảm theo hàm mũ khi xa dần giao diện kim loại - điện môi

Bản chất của phổ hấp thụ không phải do sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng mà là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Khi tần số của sóng ánh

23

sáng tới bằng tần số dao động của các điện tử dẫn trên bề mặt hạt nano Au, Ag sẽ có hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Ánh sáng được chiếu tới hạt nano Au, Ag, dưới tác dụng của điện trường ánh sáng tới, các điện tử trên bề mặt hạt nano Au, Ag được kích thích đồng thời dẫn tới một dao động đồng pha (dao động tập thể), gây ra một lưỡng cực điện ở hạt nano Au, Ag

Theo tính toán của Mie cho các hạt dạng cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản :

1) Vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của kim loại, kích thước nano

2) vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào bản chất của chính vật liệu đó (phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu)

3) Vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon còn phụ thuộc vào môi trường xung quanh kim loại đó

Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt Hiện tượng này tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano

1.6 Cấu trúc và hình thái của vi khuẩn [11]

1.6.1 Hình thái của vi khuẩn

Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào rất nhỏ có cấu trúc và hoạt động đơn giản hơn nhiều so với các tế bào khác Mỗi loại vi khuẩn có hình dạng và kích thước nhất định Với phương pháp nhuộm soi thông thường có thể xác định được hình thái và kích thước của vi khuẩn Về hình thái người ta chia vi khuẩn thành 3 nhóm chính:

a Cầu khuẩn: Là những vi khuẩn hình cầu, cũng có thề hình hơi bầu dục hoặc

hình ngọn nến Khi 2 vi khuẩn hình cầu đứng giáp nhau thì thường không tròn nữa mà chỗ tiếp giáp thường dẹt như các song cầu Đường kính trung bình của các cầu khuẩn khoảng 1µm Nhóm cầu khuẩn lại được chia làm một số loại:

- Song cầu (Diplococci): là những cầu khuẩn đứng thành đôi Những cầu khuẩn

24

gây bệnh thường gặp là phế cầu (Streptococcus pneumoniae), lậu cầu (Neisseria gonorrhoeae) và não mô cầu (Neisseria meningitidis) Có thể gặp nhiều đôi song cầu

đứng nối với nhau thành chuỗi

- Liên cầu (Streptococci): Là những cầu khuẩn đứng liên tiếp với nhau thành

từng chuỗi

- Tụ cầu (Staphylococci): Là những cầu khuẩn đứng tụ lại với nhau thành từng

đám như chùm nho

b Trực khuẩn: là những vi khuẩn hình que, hai đầu tròn hoặc vuông, có thể 1

hoặc 2 đầu phình to Kích thước rộng khoảng 1µm, dài 2-5 µm Những trực khuẩn không gây bệnh có kích thước lớn hơn Trực khuẩn được chia 3 loại:

- Bacteria: Là những trực khuẩn không sinh nha bào Đa số trực khuẩn gây bệnh

thuộc loại này như nhóm trực khuẩn đường ruột

- Bacilli: Là những trực khuẩn hiếu khí sinh nha bào Trực khuẩn than là vi

khuẩn quan trọng thuộc nhóm này

- Clostridia: Là những trực khuẩn kỵ khí sinh nha bào Các vi khuẩn gây bệnh

quan trọng thuộc nhóm này như: trực khuẩn uốn ván, trực khuẩn gây bệnh ngộ độc

thịt, trực khuẩn gây bệnh hoại thư sinh hơi

Hình 1.3: Hình thể một số trực khuẩn

c Xoắn khuẩn (Spirochaetales): là những vi khuẩn hình sợi lượn sóng và di động,

25

chiều dài trung bình từ 12-20µm, có thể dài tới 30µm, thường gặp 3 loại:

- Xoắn khuẩn uốn thành từng khúc cong không đều nhau như xoắn khuẩn sốt hồi quy

- Xoắn khuẩn với những vòng xoắn hình sin đều nhau như xoắn khuẩn giang mai

- Xoắn khuẩn có những vòng xoắn không đều nhau và 2 đầu cong luôn cử động

như Leptospira

Dưới kính hiển vi điện tử, tế bào vi khuẩn được quan sát gồm các thành phần sau:

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo tế bào vi khuẩn

vi khuẩn), ARN, các hạt vùi (là những không bào chứa lipit, glycogen,…), plasmid (chứa thông tin di truyền của tế bào vi khuẩn),…

- Màng bào tương

Vách có ở tất cả các loại vi khuẩn trừ Mycoplasma Vách là màng cứng bao bọc

xung quanh vi khuẩn ngoài màng nguyên sinh Vách được cấu tạo bởi glycopeptid Ở

vi khuẩn gram (+) vách có cấu tạo đơn giản nhưng dày, ở vi khuẩn gram (-) vách mỏng hơn nhiều nhưng cấu tạo phức tạp

Một số vi khuẩn có khả năng hình thành vỏ trong những điều kiện nhất định

Vỏ của vi khuẩn là một lớp nhầy không rõ rệt bao bọc xung quanh vi khuẩn, vỏ có bản chất hoá học khác nhau tuỳ từng loại vi khuẩn Đa số vi khuẩn có vỏ là polysaccharid

như vỏ của E.coli, phế cầu Một số vỏ là polypeptid như vi khuẩn dịch hạch, trực

khuẩn than Vỏ có thể dày hoặc mỏng tuỳ theo từng vi khuẩn

- Lông

Chỉ có một số vi khuẩn mới có lông, lông là cơ quan vận động của vi khuẩn Lông là những sợi protein dài xoắn tạo thành từ các acid amin và được xuất phát từ một hạt cơ bản trong nguyên sinh chất Vị trí lông của các loại vi khuẩn rất khác nhau Một số chỉ có một lông ở một đầu như phẩy khuẩn tả, nhiều vi khuẩn có lông ở xung

quanh thân như: E.coli, Salmonella, một vài vi khuẩn có một chùm lông ở đầu Lông

của vi khuẩn cũng có tính kháng nguyên

- Pili

Pili là một bộ phận gần giống như lông, nó có thể mất đi mà không ảnh hưởng tới sự tồn tại của vi khuẩn Pili có cấu trức như lông nhưng ngắn và mỏng hơn, pili có

27

nhiều ở vi khuẩn gram (-) Pili xuất phát từ vách vi khuẩn, có hai loại pili: pili giới tính

và pili chung

1.6.3 Sinh lý của vi khuẩn

1.6.3.1 Dinh dưỡng của vi khuẩn

Vi khuẩn cần một lượng thức ăn bằng khối lượng cơ thể nó vì vi khuẩn sinh sản, phát triển rất nhanh, chúng cần thức ăn để tạo ra năng lượng và những thức ăn để tổng hợp Những thức ăn này bao gồm các nitơ hóa hợp (acid amin hoặc muối amoni), cacbon hóa hợp (các đường), nước, muối khoáng dạng ion như H2PO42-, Cl-, SO42-, K+,

Ca2+, …và một số kim loại hiếm ở nồng độ thấp (Mn2+, Fe2+,…) Vi khuẩn hấp thu và đào thải các chất qua màng

1.6.3.2 Hô hấp của vi khuẩn

Hô hấp là quá trình trao đổi chất, tạo ra năng lượng cần thiết để tổng hợp nên các chất mới của tế bào Các loại hô hấp của tế bào:

 Hô hấp hiếu khí: là quá trình hô hấp mà oxi tự do được sử dụng để oxi hoá hợp chất hữu cơ thành CO2, H2O và giải phóng năng lượng Trong quá trình này, sau giai đoạn đường phân, axit pyruvic biến đổi thành axetyl-coenzym A rồi đi vào chu trình Crép và tiếp theo là chuỗi hô hấp để tạo ra CO2, H2O và ATP

 Hô hấp kỵ khí: là quá trình hô hấp không có sự tham gia của oxi trong điều kiện yếm khí Trong quá trình hô hấp kị khí, các chất hữu cơ không được oxi hoá hoàn toàn

và năng lượng được giải phóng rất ít Sản phẩm của quá trình hô hấp kị khí là rượu etilic, hoặc axit lactic, CO2 và năng lượng

 Hô hấp hiếu kỵ khí tùy tiện: một số vi khuẩn hiếu khí có thể hô hấp theo kiểu lên men nên gọi là hô hấp hiếu kỵ khí tùy tiện

1.6.3.3 Chuyển hóa của vi khuẩn

Vi khuẩn rất nhỏ bé nhưng sinh sản phát triển rất nhanh chóng do chúng có hệ thống enzyme phức tạp Mỗi loại vi khuẩn có hệ thống enzyme riêng mà nhờ đó vi khuẩn có thể dinh dưỡng, hô hấp, chuyển hóa và sinh sản

Chuyển hóa đường: đường là một chất vừa cung cấp năng lượng, vừa cung cấp

28

nguyên liệu cho vi khuẩn Chuyển hóa đường thực hiện theo quy trình phức tạp, từ polyozit đến ozit qua glucose rồi đến pyruvat

Chuyển hóa các chất đạm: quá trình chuyển hóa các chất đạm cũng rất phức tạp

từ albumin đến acid amin

Albumin → protein → pepton → polypeptit → acid amin

Ngoài các sản phẩm chuyển hóa chính trên, còn có một số chất được hình thành kèm theo như:

Độc tố: phần lớn các vi khuẩn gây bệnh đã tổng hợp nên độc tố trong quá trình sinh sản và phát triển của nó

Kháng sinh: một số vi khuẩn tổng hợp được chất kháng sinh có tác dụng ức chế hoặc tiêu diệt các vi khuẩn khác loại

Chất gây sốt

Sắc tố: một số vi khuẩn có khả năng sinh ra các sắc tố như màu vàng của khuẩn

tụ cầu, màu xanh của trực khuẩn mủ xanh, …

Vitamin

1.6.3.4 Sinh sản

Vi khuẩn chỉ sinh sản vô tính, không sinh sản hữu tính (có tái tổ hợp di truyền) Trong quá trình này, một tế bào mẹ được phân thành 2 tế bào con bằng cách tạo vách ngăn đôi tế bào mẹ sau khi có sự phân chia nhiễm sắc thể

Tuy nhiên, mặc dù không có sinh sản hữu tính, những biến đổi di truyền (hay đột biến) vẫn xảy ra trong từng tế bào vi khuẩn thông qua các hoạt động tái tổ hợp di truyền Do đó, tương tự như ở các sinh vật bậc cao, kết quả cuối cùng là vi khuẩn cũng

có được một tổ hợp các tính trạng từ hai tế bào mẹ Có ba kiểu tái tổ hợp di truyền đã được phát hiện ở vi khuẩn:

 Biến nạp: chuyển DNA trần từ một tế bào vi khuẩn sang tế bào khác thông qua môi trường lỏng bên ngoài, hiện tượng này gồm cả vi khuẩn chết

 Tải nạp: chuyển DNA của virus, vi khuẩn, hay cả virus lẫn vi khuẩn, từ một tế bào sang tế bào khác thông qua thể thực khuẩn

 Giao nạp: chuyển DNA từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác thông qua cấu trúc protein (lông giới tính)