Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano đã trở thành một cuộc cách mạng trong đổi mới và sáng tạo sản phẩm công nghệ, đặc biệt là các vật liệu kích thước nano với nhiều tính chất quang, điện tử và từ đặc biệt không có ở vật liệu khối. Trong đó, bạc nano nổi bật với khả năng kháng khuẩn hiệu quả, có thể tiêu diệt đến khoảng 650 loài vi khuẩn, đồng thời không tạo ra sản phẩm phụ độc hại cho môi trường. So với bạc kích thước lớn, bạc nano có diện tích bề mặt lớn hơn, tăng khả năng tiếp xúc và hiệu quả diệt khuẩn. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang của các hạt nano bạc bằng phương pháp quang hóa sử dụng ánh sáng đèn LED xanh, đồng thời thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn với vi khuẩn Salmonella và E. coli.

Mục tiêu nghiên cứu gồm: (1) chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu và các dạng khác nhau; (2) khảo sát tính chất quang của các hạt nano; (3) thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano bạc chế tạo được. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện chế tạo trong phòng thí nghiệm với các biến số như thời gian chiếu LED, nồng độ chất khử, độ pH dung dịch mầm. Ý nghĩa nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ chế tạo nano bạc hiệu quả, ứng dụng trong diệt khuẩn và y sinh, đồng thời mở rộng hiểu biết về ảnh hưởng các tham số công nghệ đến tính chất quang và hình thái hạt nano bạc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu ứng giam cầm lượng tử: Khi kích thước vật liệu giảm đến thang nano mét, các trạng thái điện tử bị lượng tử hóa, làm thay đổi tính chất quang và điện tử của vật liệu.
  • Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Dao động cộng hưởng của các electron dẫn tại bề mặt hạt nano bạc khi bị kích thích bởi ánh sáng, tạo ra các đỉnh hấp thụ đặc trưng trong phổ UV-Vis.
  • Lý thuyết Mie và mô hình Gans: Mô tả sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng của các hạt nano kim loại, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và môi trường xung quanh. Lý thuyết Mie áp dụng cho hạt cầu nhỏ, trong khi mô hình Gans mở rộng cho các hạt có hình dạng lệch khỏi cầu như đĩa tam giác, thanh nano.
  • Cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc: Bao gồm tấn công lớp peptidoglycan thành tế bào vi khuẩn, tạo gốc tự do, tương tác với các hợp chất chứa lưu huỳnh và phốt pho, phá hủy màng tế bào và DNA vi khuẩn.

Các khái niệm chính gồm: hạt nano bạc (AgNPs), phổ hấp thụ plasmon, hiệu ứng SPR, phương pháp quang hóa, hoạt tính kháng khuẩn, ảnh hưởng của pH và thời gian chiếu sáng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu hạt nano bạc chế tạo trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh (λ ≈ 532 nm). Quy trình gồm hai bước chính: tạo mầm hạt nano bạc dạng cầu bằng phản ứng khử ion Ag+ với NaBH4 trong dung dịch chứa citrate làm chất ổn định; sau đó chiếu sáng bằng đèn LED xanh để kích thích phát triển hạt nano thành các dạng đĩa tam giác, tam giác cụt.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phổ hấp thụ UV-Vis: Đo phổ hấp thụ plasmon để xác định kích thước, hình dạng và sự phát triển của hạt nano theo thời gian chiếu LED và điều kiện pH.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái, kích thước và phân bố hạt nano.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc.
  • Thử nghiệm kháng khuẩn: Phương pháp đục lỗ trên đĩa Petri để đo đường kính vùng vô khuẩn đối với vi khuẩn Salmonella và E. coli.

Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu hạt nano bạc được chế tạo với các điều kiện khác nhau về nồng độ chất khử, pH, thời gian chiếu LED (từ 0,5 đến 76 giờ), nhiệt độ 40-80°C. Phương pháp chọn mẫu dựa trên biến đổi các tham số công nghệ để khảo sát ảnh hưởng đến tính chất hạt nano. Phân tích dữ liệu sử dụng so sánh phổ hấp thụ, hình ảnh TEM và kết quả kháng khuẩn để đánh giá hiệu quả chế tạo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng thời gian chiếu LED đến hình thái và phổ hấp thụ plasmon:

    • Mầm hạt nano bạc dạng cầu có đỉnh plasmon duy nhất ở 401 nm, kích thước khoảng 8-10 nm.
    • Sau 2 giờ chiếu LED, xuất hiện thêm các đỉnh hấp thụ ở 332 nm, 645 nm, chứng tỏ sự hình thành các hạt nano dạng đĩa tam giác.
    • Khi chiếu LED 5 giờ, đỉnh plasmon dịch chuyển đến 661 nm và 817 nm, kích thước hạt tăng, hình dạng chuyển sang đĩa tam giác cụt.
    • Ảnh TEM xác nhận sự chuyển đổi từ hạt cầu sang đĩa tam giác và tam giác cụt với kích thước cạnh lên đến 41 nm.

  2. Ảnh hưởng độ pH dung dịch mầm:

    • Ở pH=6, đỉnh plasmon mầm dịch về bước sóng ngắn hơn (398 nm), cho thấy kích thước hạt nhỏ hơn so với các pH khác (7,4; 8,5; 9,4 đều khoảng 402 nm).
    • Các mẫu ở pH cao hơn có xu hướng phát triển hạt nano lớn hơn và hình dạng đa dạng hơn khi chiếu LED.

  3. Cấu trúc tinh thể của hạt nano bạc:

    • XRD cho thấy cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) với các mặt tinh thể (111), (200), (220), (311) rõ ràng ở mẫu mầm và mẫu đĩa nano.
    • Mẫu đĩa nano có sự dịch chuyển nhẹ các đỉnh (220) và (311) do dao động plasmon và méo mạng tinh thể khi chiếu LED.

  4. Hoạt tính kháng khuẩn:

    • Các hạt nano bạc chế tạo có khả năng ức chế vi khuẩn Salmonella và E. coli rõ rệt, thể hiện qua đường kính vùng vô khuẩn trên đĩa Petri.
    • Hiệu quả kháng khuẩn tăng theo kích thước và hình dạng hạt nano, với các hạt đĩa tam giác và tam giác cụt có hoạt tính cao hơn hạt cầu.

Thảo luận kết quả

Sự phát triển hình thái hạt nano bạc từ dạng cầu sang dạng đĩa tam giác và tam giác cụt dưới tác động của ánh sáng LED được giải thích bởi cơ chế dao động plasmon bề mặt kích thích phản ứng hóa học của citrate trên bề mặt hạt. Các dao động plasmon lưỡng cực dọc ưu tiên phát triển theo các góc, dẫn đến sự phát triển dị hướng của hạt. Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis và ảnh TEM tương thích chặt chẽ, minh họa rõ ràng sự thay đổi hình dạng và kích thước hạt theo thời gian chiếu sáng.

Độ pH ảnh hưởng đến kích thước và sự ổn định của hạt nano mầm, từ đó tác động đến sự phát triển hình thái hạt nano sau chiếu sáng. Kết quả XRD xác nhận cấu trúc tinh thể bạc ổn định, phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano bạc được củng cố bởi cơ chế tấn công màng tế bào vi khuẩn, tạo gốc tự do và tương tác với các thành phần tế bào, phù hợp với các báo cáo trong ngành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis theo thời gian chiếu LED và pH, bảng phân bố kích thước hạt từ ảnh TEM, cùng bảng kết quả đường kính vùng vô khuẩn trong thử nghiệm kháng khuẩn, giúp minh họa rõ ràng mối liên hệ giữa điều kiện chế tạo và tính chất sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thời gian chiếu LED: Khuyến nghị chiếu LED trong khoảng 2-5 giờ để tạo ra hạt nano bạc dạng đĩa tam giác có kích thước và tính chất quang tối ưu, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu và sản xuất nano bạc; Thời gian: ngay trong quy trình chế tạo.

  2. Điều chỉnh độ pH dung dịch mầm: Duy trì pH trong khoảng 7,4-9,4 để đảm bảo kích thước hạt nano phù hợp và ổn định, tránh tạo hạt quá nhỏ hoặc không đồng đều. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên phòng thí nghiệm; Thời gian: trong bước chuẩn bị dung dịch mầm.

  3. Ứng dụng phổ hấp thụ UV-Vis làm công cụ kiểm soát chất lượng: Sử dụng phổ hấp thụ plasmon để giám sát quá trình phát triển hạt nano, đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu về kích thước và hình dạng. Chủ thể thực hiện: bộ phận kiểm soát chất lượng; Thời gian: trong và sau quá trình chế tạo.

  4. Phát triển sản phẩm ứng dụng diệt khuẩn: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục ứng dụng nano bạc dạng đĩa tam giác trong các sản phẩm y tế, khẩu trang, vật liệu kháng khuẩn và xử lý môi trường. Chủ thể thực hiện: các công ty công nghệ sinh học và y tế; Thời gian: giai đoạn phát triển sản phẩm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu nano và hóa học: Nắm bắt kiến thức về phương pháp chế tạo nano bạc bằng quang hóa, ảnh hưởng các tham số công nghệ đến tính chất hạt nano.

  2. Chuyên gia phát triển sản phẩm y sinh và kháng khuẩn: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm diệt khuẩn hiệu quả, an toàn và thân thiện môi trường.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano và thiết bị y tế: Tối ưu quy trình sản xuất nano bạc, nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng trong ngành công nghiệp.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Tham khảo để xây dựng các chương trình hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano trong y tế và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano bạc được chế tạo bằng phương pháp quang hóa có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp quang hóa sử dụng ánh sáng LED xanh giúp điều khiển phản ứng bằng ánh sáng, phản ứng dừng khi ngừng chiếu sáng, tạo hạt nano có hình dạng đa dạng và kích thước đồng đều, đồng thời giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại.

  2. Tại sao citrate lại quan trọng trong quá trình chế tạo nano bạc?
    Citrate đóng vai trò chất ổn định bề mặt, giữ kích thước hạt mầm trong khoảng 3 nm, đồng thời tham gia phản ứng oxi hóa dưới ánh sáng để kích thích phát triển hạt nano bạc thành các dạng đĩa tam giác.

  3. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED đến hình dạng hạt nano bạc như thế nào?
    Thời gian chiếu LED càng dài, hạt nano bạc phát triển từ dạng cầu sang dạng đĩa tam giác và tam giác cụt, kích thước tăng lên, phổ hấp thụ plasmon dịch chuyển về bước sóng dài hơn, tăng hiệu quả quang học và kháng khuẩn.

  4. Nano bạc có thể diệt khuẩn hiệu quả với những loại vi khuẩn nào?
    Nano bạc có khả năng diệt khuẩn rộng, bao gồm khoảng 650 loài vi khuẩn, đặc biệt hiệu quả với vi khuẩn Gram âm như Salmonella và E. coli, nhờ cơ chế tấn công màng tế bào và tạo gốc tự do.

  5. Làm thế nào để kiểm soát kích thước và hình dạng hạt nano bạc trong quá trình chế tạo?
    Có thể điều chỉnh các tham số như nồng độ chất khử NaBH4, tỷ lệ [NaBH4]:[AgNO3], độ pH dung dịch mầm, thời gian và công suất chiếu LED để kiểm soát kích thước và hình dạng hạt nano bạc theo mong muốn.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo các hạt nano bạc dạng cầu và các dạng đĩa tam giác, tam giác cụt bằng phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh.
  • Thời gian chiếu LED và độ pH dung dịch mầm là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất quang của hạt nano bạc.
  • Các hạt nano bạc chế tạo có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) ổn định và thể hiện phổ hấp thụ plasmon đặc trưng, phù hợp với lý thuyết Mie và Gans.
  • Hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc được chứng minh hiệu quả với vi khuẩn Salmonella và E. coli, mở rộng ứng dụng trong y sinh và xử lý môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình chế tạo và phát triển sản phẩm ứng dụng nano bạc trong lĩnh vực y tế và công nghiệp.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học và công nghệ để phát triển các vật liệu nano bạc đa chức năng, khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả trong thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả diệt khuẩn và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.