Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nano đã trở thành một cuộc cách mạng trong đổi mới và sáng tạo sản phẩm công nghệ mới trên toàn cầu. Theo ước tính, các vật liệu kích thước nano được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ, đặc biệt là trong y sinh và diệt khuẩn. Trong đó, hạt nano bạc (AgNPs) nổi bật với khả năng kháng khuẩn vượt trội, có thể tiêu diệt đến khoảng 650 loài vi khuẩn khác nhau. So với các phương pháp khử khuẩn truyền thống, nano bạc không tạo ra sản phẩm phụ độc hại và không gây tái nhiễm môi trường, đồng thời hiệu quả diệt khuẩn được tăng cường nhờ diện tích bề mặt lớn của các hạt nano.

Luận văn tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano bạc nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn, sử dụng phương pháp quang hóa với ánh sáng đèn LED xanh. Mục tiêu cụ thể gồm: chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu và các dạng khác nhau; khảo sát tính chất quang của các hạt nano; thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn Salmonella và Escherichia coli (E. coli). Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, trong khoảng thời gian năm 2017-2018.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc phát triển phương pháp chế tạo nano bạc mới, thân thiện môi trường, có thể kiểm soát hình thái và kích thước hạt, từ đó nâng cao hiệu quả diệt khuẩn. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của nano bạc trong y tế, xử lý môi trường và công nghệ vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR): Đây là hiện tượng dao động cộng hưởng của các electron dẫn tại bề mặt hạt nano bạc khi bị kích thích bởi ánh sáng, tạo ra đỉnh hấp thụ đặc trưng trong phổ UV-Vis. Vị trí đỉnh hấp thụ phụ thuộc vào kích thước, hình dạng hạt và môi trường xung quanh.

  • Lý thuyết Mie: Mô tả sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng của các hạt nano kim loại dạng cầu nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, giúp giải thích sự phụ thuộc của phổ hấp thụ plasmon vào kích thước hạt.

  • Lý thuyết Gans: Mở rộng lý thuyết Mie cho các hạt nano có hình dạng không cầu như đĩa tam giác, thanh nano, giải thích sự phân tách cộng hưởng plasmon theo các trục khác nhau của hạt.

  • Cơ chế diệt khuẩn của nano bạc: Bao gồm tác động vật lý (đâm xuyên màng tế bào), hóa học (tương tác với DNA, enzyme), và sinh học (hình thành gốc tự do), tập trung vào sự phá hủy thành tế bào vi khuẩn Gram âm như E. coli và Salmonella.

Các khái niệm chính bao gồm: kích thước hạt nano, hình thái hạt (cầu, đĩa tam giác), phổ hấp thụ plasmon, hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), và hoạt tính kháng khuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu hạt nano bạc được chế tạo trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh (bước sóng khoảng 532 nm). Quy trình chế tạo gồm hai bước: 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 để phát triển hạt nano với các hình dạng khác nhau như đĩa tam giác.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Xác định hình thái, kích thước và phân bố hạt nano.

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Phân tích cấu trúc tinh thể và độ tinh khiết của hạt nano bạc.

  • Phổ hấp thụ UV-Vis: Đo phổ hấp thụ plasmon để khảo sát tính chất quang học của hạt nano.

  • Thử nghiệm kháng khuẩn: Sử dụng phương pháp đục lỗ trên đĩa Petri để đánh giá hoạt tính diệt khuẩn của các mẫu nano bạc đối với vi khuẩn E. coli và Salmonella.

Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu chế tạo với các điều kiện biến đổi như độ pH (6.0 - 9.4), nồng độ chất khử NaBH4 (0.1 - 0.5 mM), thời gian chiếu LED (0.5 - 12 giờ), và tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3] (5:1 đến 5:5). Phương pháp chọn mẫu là chọn đại diện các điều kiện phản ứng để khảo sát ảnh hưởng đến hình thái và tính chất hạt nano. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng so sánh phổ hấp thụ, ảnh TEM và kết quả kháng khuẩn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công hạt nano bạc dạng cầu và đĩa tam giác: Qua phổ hấp thụ UV-Vis, mầm hạt nano bạc có đỉnh plasmon ở bước sóng 401 nm, kích thước hạt khoảng 8-10 nm. Sau khi chiếu LED 2 giờ và 5 giờ, xuất hiện thêm các đỉnh hấp thụ tại 332 nm, 645-661 nm và 817 nm, chứng tỏ sự phát triển hình thái hạt từ cầu sang đĩa tam giác và các dạng khác. Ảnh TEM xác nhận hình thái và kích thước hạt.

  2. Ảnh hưởng của độ pH đến hình thái và tính chất quang: Mẫu với pH 9.4 cho phổ hấp thụ plasmon rõ ràng nhất với các đỉnh đặc trưng, cho thấy pH cao thúc đẩy sự phát triển hạt nano bạc đa dạng hình dạng. Các mẫu pH thấp hơn có phổ hấp thụ kém phát triển hơn.

  3. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4: Tăng nồng độ NaBH4 từ 0.1 đến 0.5 mM làm tăng tốc độ hình thành hạt nano bạc, nhưng nồng độ quá cao dẫn đến phân bố kích thước hạt rộng và giảm đồng đều. Tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3] 5:4 đến 5:5 cho kết quả tối ưu về kích thước và hình thái.

  4. Hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả: Các mẫu nano bạc chế tạo có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn E. coli và Salmonella rõ rệt, với đường kính vùng vô khuẩn lớn hơn 10 mm, vượt trội so với đối chứng kháng sinh penicillin trong một số trường hợp. Hiệu quả kháng khuẩn tăng theo thời gian chiếu LED và kích thước hạt nano.

Thảo luận kết quả

Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis và ảnh TEM cho thấy phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh là hiệu quả trong việc điều khiển hình thái và kích thước hạt nano bạc. Sự phát triển từ hạt cầu sang đĩa tam giác được giải thích bởi cơ chế oxi hóa citrate và dao động plasmon lưỡng cực dọc kích thích sự phát triển dị hướng của hạt. Độ pH cao tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxi hóa và phát triển hạt đa dạng hình dạng.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định ưu thế của phương pháp quang hóa trong kiểm soát hình thái hạt nano bạc mà không cần sử dụng nhiệt độ cao hay hóa chất độc hại. Hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc được củng cố bởi cơ chế tấn công màng tế bào vi khuẩn và tương tác với các thành phần sinh học bên trong 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 so sánh các mẫu theo thời gian chiếu LED và pH, bảng tổng hợp kích thước hạt từ ảnh TEM, cùng bảng kết quả đường kính vùng vô khuẩn trong thử nghiệm kháng khuẩn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa điều kiện chế tạo nano bạc: Khuyến nghị sử dụng pH khoảng 9.4, tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3] từ 5:4 đến 5:5 và thời gian chiếu LED từ 2 đến 5 giờ để đạt được hạt nano bạc có kích thước đồng đều và hình thái đa dạng, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nano.

  2. Phát triển ứng dụng nano bạc trong y tế: Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về tích hợp nano bạc vào các sản phẩm y tế như gạc phủ, khẩu trang kháng khuẩn, găng tay, nhằm tăng cường khả năng diệt khuẩn và giảm nguy cơ nhiễm khuẩn bệnh viện. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các công ty dược phẩm và thiết bị y tế.

  3. Mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường: Khuyến nghị phát triển màng lọc nước thải chứa nano bạc để hạn chế vi khuẩn và nấm mốc, giảm mùi hôi và ô nhiễm. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể thực hiện: các tổ chức môi trường và doanh nghiệp xử lý nước.

  4. Nâng cao nghiên cứu cơ chế tác động: Đề xuất nghiên cứu sâu về cơ chế tương tác giữa nano bạc và vi khuẩn ở cấp độ phân tử, sử dụng kỹ thuật phân tích hiện đại như ESR, SERS để tối ưu hóa hiệu quả diệt khuẩn và giảm tác động môi trường. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu khoa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp chế tạo nano bạc bằng quang hóa, giúp nghiên cứu viên phát triển các vật liệu nano mới với tính chất quang và kháng khuẩn.

  2. Chuyên gia y sinh và dược phẩm: Thông tin về hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc và ứng dụng trong y tế hỗ trợ phát triển sản phẩm kháng khuẩn hiệu quả, an toàn.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Nghiên cứu về ứng dụng nano bạc trong xử lý nước thải và khử khuẩn môi trường giúp doanh nghiệp cải tiến công nghệ xử lý ô nhiễm.

  4. Sinh viên và học viên cao học: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, phân tích tính chất vật liệu nano và ứng dụng thực tiễn, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano bạc có kích thước bao nhiêu được chế tạo trong nghiên cứu?
    Kích thước hạt nano bạc dạng cầu khoảng 8-10 nm, sau phát triển có thể đạt đến kích thước lớn hơn với hình dạng đĩa tam giác, được xác định qua ảnh TEM và phổ hấp thụ UV-Vis.

  2. Phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép điều khiển phản ứng bằng ánh sáng, phản ứng dừng khi ngừng chiếu sáng, thân thiện môi trường và dễ kiểm soát hình thái hạt nano bạc.

  3. Nano bạc có hiệu quả diệt khuẩn như thế nào?
    Nano bạc thể hiện khả năng diệt khuẩn mạnh mẽ đối với vi khuẩn Gram âm như E. coli và Salmonella, với vùng vô khuẩn trên 10 mm, vượt trội so với một số kháng sinh truyền thống.

  4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến chất lượng hạt nano bạc?
    Độ pH dung dịch, nồng độ chất khử NaBH4, thời gian chiếu LED và tỷ lệ nồng độ các chất phản ứng là các yếu tố chính ảnh hưởng đến kích thước, hình thái và tính chất quang của hạt nano bạc.

  5. Ứng dụng thực tiễn của nano bạc trong đời sống là gì?
    Nano bạc được ứng dụng trong y tế (gạc phủ, thuốc bôi), mỹ phẩm, vật dụng kháng khuẩn (khẩu trang, găng tay), thiết bị công nghệ và xử lý môi trường như màng lọc nước thải.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công các hạt nano bạc dạng cầu và đĩa tam giác bằng phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh với kích thước hạt khoảng 8-10 nm cho mầm và phát triển đa dạng hình thái.
  • Phổ hấp thụ plasmon UV-Vis cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt vào thời gian chiếu LED, độ pH và nồng độ chất khử, phản ánh sự thay đổi kích thước và hình dạng hạt nano.
  • Nano bạc chế tạo có hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả đối với vi khuẩn E. coli và Salmonella, với vùng vô khuẩn lớn hơn 10 mm, phù hợp ứng dụng trong y sinh và xử lý môi trường.
  • Phương pháp quang hóa là kỹ thuật thân thiện môi trường, dễ kiểm soát và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nano bạc.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu cơ chế tác động và mở rộng ứng dụng nano bạc trong y tế, môi trường và công nghệ vật liệu.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng phương pháp quang hóa để phát triển sản phẩm nano bạc chất lượng cao, đồng thời triển khai thử nghiệm ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực y tế và môi trường.