Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo và tính chất quang của hạt nano bạc trong diệt khuẩn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano bạc nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Văn Đông
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Minh Tân
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Vật lý
• Đề tài: Chế tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng Dụng Trong Diệt Khuẩn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HẠT NANO
• 1.1. Các hạt vi cầu
• 1.2. Chấm lượng tử
• 1.3. Các hạt kim loại
• 1.4. Hạt nano bạc
• 1.4.1. Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc
• 1.4.2. Tính chất vật lý của Ag
• 1.4.3. Tính chất quang của nano bạc
• 1.4.3.1. Phổ hấp thụ plasmon (absorption plasmon spectra)
• 1.4.3.2. Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt
• 1.4.3.3. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào kích thước hạt
• 1.4.3.4. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào hình dạng hạt – lý thuyết Gans
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ
• 2.2. Chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp quang hóa (Chiếu bằng đèn LED)
• 2.3. Các bước tiến hành thực nghiệm
• 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến quá trình hình thành hạt nano bạc
• 2.4.1. Thay đổi độ pH dung dịch mầm
• 2.4.2. Thay đổi nồng độ chất khử NaBH4 dung dịch mầm
• 2.4.3. Thay đổi thời gian chiếu LED, nhiệt độ
• 2.5. Khảo sát tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc với khuẩn Escherichia coli (E. coli) và Salmonella
• 2.6. Các phương pháp khảo sát đặc trưng của vật liệu
• 2.6.1. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.6.2. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.6.3. Phổ hấp thụ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Phổ hấp thụ của hạt nano bạc (AgNPs)
• 3.2. Hình thái và kích thước hạt
• 3.3. Phân tích cấu trúc
• 3.4. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến chất lượng mẫu
• 3.4.1. Thời gian chiếu LED
• 3.4.2. Ảnh hưởng của độ pH
• 3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4
• 3.4.4. Thử nghiệm về tính kháng khuẩn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hạt nano bạc trong diệt khuẩn

Hạt nano bạc đã trở thành một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực diệt khuẩn. Với kích thước nhỏ, hạt nano bạc thể hiện những tính chất đặc biệt, giúp tăng cường khả năng kháng khuẩn. Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc chế tạo mà còn khảo sát tính chất quang của hạt nano bạc, từ đó mở ra nhiều ứng dụng trong y tế và công nghệ.

1.1. Hạt nano bạc và tính chất diệt khuẩn của chúng

Hạt nano bạc có khả năng tiêu diệt nhiều loại vi khuẩn, nấm mốc và virus. Nghiên cứu cho thấy bạc có thể tiêu diệt đến 650 loài vi khuẩn, nhờ vào diện tích bề mặt lớn của chúng khi ở kích thước nano.

1.2. Ứng dụng của hạt nano bạc trong y tế

Hạt nano bạc được ứng dụng rộng rãi trong y tế, từ việc khử trùng vết thương đến sản xuất khẩu trang y tế. Chúng không chỉ hiệu quả mà còn an toàn cho sức khỏe con người.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu hạt nano bạc

Mặc dù hạt nano bạc có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng chúng cũng gặp phải không ít thách thức. Các vấn đề về an toàn, hiệu quả và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. An toàn và tác động môi trường của hạt nano bạc

Việc sử dụng hạt nano bạc trong các sản phẩm tiêu dùng cần được đánh giá về tác động môi trường. Nghiên cứu cho thấy, nếu không được xử lý đúng cách, hạt nano bạc có thể gây ô nhiễm môi trường nước.

2.2. Chi phí sản xuất hạt nano bạc

Chi phí sản xuất hạt nano bạc vẫn còn cao so với các phương pháp khử khuẩn truyền thống. Việc tìm kiếm các phương pháp chế tạo hiệu quả và tiết kiệm chi phí là một thách thức lớn.

III. Phương pháp chế tạo hạt nano bạc hiệu quả

Có nhiều phương pháp chế tạo hạt nano bạc, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ quyết định đến chất lượng và tính năng của hạt nano bạc.

3.1. Phương pháp khử hóa học trong chế tạo hạt nano bạc

Phương pháp khử hóa học là một trong những phương pháp phổ biến nhất để chế tạo hạt nano bạc. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano.

3.2. Phương pháp khử sinh học và lợi ích của nó

Phương pháp khử sinh học sử dụng các tác nhân sinh học để tạo ra hạt nano bạc. Phương pháp này không chỉ an toàn mà còn thân thiện với môi trường.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của hạt nano bạc

Nghiên cứu về hạt nano bạc đã cho thấy nhiều kết quả khả quan trong việc ứng dụng chúng vào thực tiễn. Các thử nghiệm cho thấy hạt nano bạc có khả năng diệt khuẩn hiệu quả, mở ra nhiều cơ hội mới trong y tế và công nghệ.

4.1. Thử nghiệm tính kháng khuẩn của hạt nano bạc

Các thử nghiệm cho thấy hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ đối với các chủng vi khuẩn như E. coli và Salmonella. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của hạt nano bạc trong y tế.

4.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

Hạt nano bạc cũng được nghiên cứu ứng dụng trong xử lý nước thải. Chúng có khả năng tiêu diệt vi khuẩn trong nước, giúp cải thiện chất lượng nước.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo về hạt nano bạc

Nghiên cứu về hạt nano bạc đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực diệt khuẩn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo và đánh giá tác động của chúng đối với sức khỏe con người và môi trường.

5.1. Tương lai của hạt nano bạc trong y tế

Hạt nano bạc có tiềm năng lớn trong việc phát triển các sản phẩm y tế mới, từ thuốc kháng khuẩn đến vật liệu khử trùng. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện hiệu quả và an toàn của chúng.

5.2. Nghiên cứu về an toàn và hiệu quả của hạt nano bạc

Cần có nhiều nghiên cứu hơn về an toàn và hiệu quả của hạt nano bạc trong các ứng dụng thực tiễn. Điều này sẽ giúp đảm bảo rằng chúng không gây hại cho sức khỏe con người và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm vi sinh vật ngày càng gia tăng, vi khuẩn kháng thuốc trở thành một trong những thách thức hàng đầu đối với y tế công cộng toàn cầu, trong khi các hợp chất nano bạc được ghi nhận có khả năng tiêu diệt hơn 650 loài vi sinh vật gây bệnh khác nhau. Mặc dù công nghệ hạt nano bạc (AgNPs) mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong y sinh và khử trùng, các phương pháp tổng hợp truyền thống vẫn đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Phương pháp hóa học thông thường thường sử dụng dung môi độc hại khó kiểm soát hình thái tinh vi, trong khi phương pháp vật lý như bay hơi ngưng tụ đòi hỏi nhiệt độ vận hành khắc nghiệt trên 2000°C cùng chi phí đầu tư thiết bị rất cao.

Để giải quyết triệt để vấn đề này, nghiên cứu đặt mục tiêu chế tạo các hạt nano bạc mầm dạng cầu và phát triển dị hướng thành các cấu trúc đĩa tam giác bằng phương pháp quang hóa thân thiện môi trường sử dụng nguồn kích thích từ đèn LED ánh sáng xanh có bước sóng 532 nm. Mục tiêu song hành là khảo sát chi tiết đặc tính quang học, cấu trúc tinh thể và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn thực nghiệm trên hai chủng vi khuẩn Gram âm phổ biến là Escherichia coli (E. coli) và Salmonella.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm vào năm 2018 tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, phối hợp phân tích cấu trúc tại Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Đề tài mang lại ý nghĩa thực tiễn nổi bật khi loại bỏ hoàn toàn hóa chất độc hại, kiểm soát kích thước hạt nano trong dải hẹp từ 3 nm đến 50 nm, đồng thời nâng cao hiệu suất ức chế vi khuẩn đạt trên 95% so với các giải pháp khử trùng truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng các lý thuyết quang học vật lý chất rắn và hóa học nano hiện đại. Trọng tâm là lý thuyết tán xạ Mie mô tả sự tương tác của sóng điện từ với các hạt nano kim loại hình cầu có kích thước dưới 20 nm, nơi dao động tập thể của electron dẫn tạo nên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) đặc trưng. Đi kèm với đó là mô hình điện môi Drude hiệu chỉnh theo kích thước hạt nhằm làm sáng tỏ sự mở rộng phổ quang học khi quãng đường tự do trung bình của electron bị giới hạn ở mức 50 nm trong tinh thể bạc.

Đối với các hạt bất đối xứng, nghiên cứu áp dụng lý thuyết mở rộng Gans để giải thích sự phân tách dải phổ plasmon thành hai mode dao động độc lập: mode lưỡng cực ngang (transverse) và mode lưỡng cực dọc (longitudinal) phụ thuộc vào tỷ lệ tương quan kích thước trục. Bên cạnh đó, định luật Lambert-Beer được áp dụng để định lượng mật độ hấp thụ quang học. Bốn khái niệm cốt lõi chi phối toàn bộ quá trình bao gồm: cộng hưởng plasmon bề mặt, hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), hiệu ứng giam cầm lượng tử và cơ chế oxy hóa quang hóa chọn lọc của trisodium citrate (TSC) trên các mặt tinh thể bạc.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm sử dụng hệ tiền chất gồm bạc nitrat AgNO3 nồng độ 2,5 mM, chất khử mạnh sodium borohydride NaBH4 nồng độ 10 mM được giữ lạnh nghiêm ngặt ở 0°C, chất ổn định bề mặt trisodium citrate 2,5 mM và dung dịch NaOH 10 mM để điều chỉnh độ pH. Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ ma trận 82 mẫu thí nghiệm, phân bổ qua 4 dải pH từ 6,0 đến 9,4, 5 tỷ lệ nồng độ chất khử [NaBH4]:[AgNO3] từ 5:1 đến 5:5, cùng 15 mốc thời gian chiếu xạ LED từ 0,5 giờ đến 76 giờ dưới mật độ công suất chiếu sáng 0,51 mW/cm2.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích theo ma trận tham số giúp cô lập và đánh giá chính xác từng biến số ảnh hưởng. Quy trình phân tích bao gồm: đo phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến UV-Vis trên hệ máy Jasco V530 trong dải bước sóng 200-1100 nm, chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM trên thiết bị JEOL JEM1010 để xác định kích thước hạt từ 3 nm đến 10 nm, phân tích nhiễu xạ tia X trên máy Siemens D5000 với bức xạ Cu Kα bước sóng 1,5406 Å, và thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn bằng phương pháp đục lỗ khuếch tán thạch với 15 µL dịch huyền phù vi khuẩn chứa mật độ khoảng 10^7 đến 10^9 tế bào/mL. Việc kết hợp các phương pháp này đảm bảo tính chính xác cao về cấu trúc vi mô và bảo toàn trạng thái keo nguyên bản của mẫu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã xác lập bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, giai đoạn tạo mầm hóa học ở nhiệt độ 0°C đã hình thành các hạt nano bạc hình cầu đồng nhất có kích thước trung bình 8-10 nm, thể hiện qua phổ hấp thụ UV-Vis với một đỉnh cộng hưởng plasmon duy nhất tại bước sóng 401 nm và dung dịch có màu vàng nhạt.

Thứ hai, dưới tác động quang hóa của hệ thống 7 đèn LED xanh bước sóng 532 nm, các hạt mầm hình cầu chuyển đổi hình thái dị hướng thành các đĩa nano dạng tam giác. Phổ hấp thụ xuất hiện thêm các đỉnh dao động mới: đỉnh 332 nm tương ứng với mode tứ cực ngoài mặt phẳng và đỉnh dao động lưỡng cực dọc bị dịch đỏ mạnh từ 401 nm lên 645 nm sau 2 giờ chiếu sáng, đạt mốc 817 nm sau 5 giờ chiếu sáng, chứng minh sự gia tăng kích thước cạnh đĩa tam giác lên trên 45 nm.

Thứ ba, môi trường pH kiềm thể hiện vai trò xúc tác vượt trội; tại pH 8,5 và pH 9,4, tốc độ tạo màng đĩa tam giác diễn ra nhanh hơn khoảng 35% đến 40% so với môi trường pH 6,0. Khi khảo sát tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3], tỷ lệ 5:4 và 5:5 mang lại mật độ quang học cực đại cao hơn 25% so với tỷ lệ 5:1.

Thứ tư, keo nano bạc tổng hợp thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ, tạo vòng vô khuẩn rõ rệt trên đĩa thạch đối với cả E. coli và Salmonella, đạt hiệu lực ức chế tương đương mẫu đối chứng kháng sinh penicillin ở nồng độ chuẩn.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi hình thái từ hạt cầu sang đĩa tam giác bắt nguồn từ cơ chế quang hóa của citrate: dưới bức xạ LED xanh 532 nm, dao động plasmon cộng hưởng kích thích quá trình oxy hóa citrate bám trên bề mặt hạt mầm thành acetonedicarboxylate, giải phóng 2 electron khử ion Ag+ tự do để kết tinh ưu tiên lên mặt phẳng tinh thể (111). Về khả năng diệt khuẩn, kích thước siêu nhỏ dưới 10 nm của hạt mầm cùng các ion Ag+ giải phóng giúp hạt dễ dàng thâm nhập qua lớp peptidoglycan của vi khuẩn Gram âm, tạo các lỗ thủng màng tế bào (pits) và sinh ra các gốc tự do làm tê liệt enzyme hô hấp.

So với các nghiên cứu khử hóa học dùng hydrazine, phương pháp quang hóa LED giúp kiểm soát độ phân tán kích thước hạt chặt chẽ hơn với độ lệch chuẩn dưới 5%, đồng thời tiết kiệm hơn 70% năng lượng so với công nghệ ăn mòn laser. Dữ liệu thực nghiệm này có thể được trình bày một cách trực quan qua đồ thị biểu diễn sự dịch chuyển đỉnh SPR theo thời gian chiếu xạ từ 0 đến 12 giờ và bảng đối sánh đường kính vòng kháng khuẩn giữa các tỷ lệ tiền chất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và yêu cầu thực tiễn, luận văn đề xuất bốn giải pháp mang tính ứng dụng cao:

1. Chuẩn hóa và mở rộng quy mô hệ thống quang hóa: Nâng cấp mô hình chiếu LED 7 bóng trong phòng thí nghiệm thành module bán công nghiệp công suất 50-100W tích hợp hệ thống khuấy tự động, hướng tới mục tiêu sản xuất 50 đến 100 lít dung dịch keo nano bạc mỗi ngày trong lộ trình 6 đến 9 tháng tới (Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm vật liệu quang học và doanh nghiệp hóa chất nano).

2. Ứng dụng tích hợp vào vật tư y tế và khử trùng: Đẩy mạnh việc đưa hạt nano bạc dạng đĩa tam giác vào sản xuất băng gạc y tế điều trị vết bỏng, gel bôi ngoài da và màng vải phủ khẩu trang, nhằm tăng tỷ lệ tiêu diệt vi khuẩn Gram âm lên trên 99,9% trong khung thời gian 12 tháng (Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu y sinh học và công ty thiết bị y tế).

3. Thiết lập hệ thống màng lọc nano xử lý nước thải: Tích hợp keo nano bạc lên màng lọc polyme xốp hoặc than hoạt tính để xử lý triệt để vi khuẩn E. coli và Salmonella trong nguồn nước sinh hoạt và nước thải y tế với thời gian phản ứng dưới 15 phút (Chủ thể thực hiện: Các trung tâm công nghệ môi trường và doanh nghiệp cấp thoát nước).

4. Hoàn thiện quy chuẩn an toàn sinh học và độ bền keo: Thiết lập bộ tiêu chuẩn theo dõi độ bền quang học (duy trì độ ổn định keo trên 12 tháng) và kiểm soát hàm lượng ion bạc tồn dư theo tiêu chuẩn ISO 10993 trước khi thương mại hóa rộng rãi (Chủ thể thực hiện: Bộ Khoa học và Công nghệ phối hợp cùng Bộ Y tế).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Bản luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho bốn nhóm độc giả:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Quang học, Vật lý chất rắn: Nắm vững quy trình quang xúc tác chế tạo vật liệu nano dị hướng, ứng dụng lý thuyết tán xạ Mie và Gans trong việc phân tích hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt.

2. Kỹ sư R&D trong ngành Dược phẩm và Thiết bị y tế: Tiếp cận quy trình tổng hợp dung dịch keo bạc kháng khuẩn độ tinh khiết cao, áp dụng trực tiếp vào phát triển sản phẩm thuốc bôi da, băng gạc nano và dung dịch sát khuẩn y tế.

3. Chuyên gia công nghệ môi trường và xử lý nước: Tham khảo giải pháp chế tạo màng lọc nano diệt khuẩn, khai thác cơ chế ức chế mầm bệnh E. coli và Salmonella để thiết kế các hệ thống xử lý nước sạch cục bộ.

4. Giảng viên và sinh viên các trường đại học khối kỹ thuật tự nhiên: Khai thác ma trận thực nghiệm 82 mẫu, ảnh hiển vi TEM và giản đồ nhiễu xạ XRD chuẩn làm tài liệu trực quan phục vụ công tác giảng dạy chuyên đề công nghệ nano.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp quang hóa bằng đèn LED xanh có ưu điểm gì vượt trội so với các phương pháp tổng hợp khác? Phương pháp này điều khiển phản ứng hoàn toàn bằng năng lượng ánh sáng bước sóng 532 nm, tự động ngắt phản ứng khi ngừng chiếu sáng mà không cần nhiệt độ cao trên 2000°C hay dung môi độc hại. Quy trình này giúp tạo ra hạt nano dạng đĩa tam giác có độ đồng đều cao hơn khoảng 30% so với phương pháp nhiệt phân thông thường.

2. Tại sao hạt nano bạc dạng đĩa tam giác lại xuất hiện nhiều đỉnh hấp thụ trên phổ UV-Vis? Theo lý thuyết mở rộng Gans, khi hạt nano phát triển bất đối xứng thành dạng đĩa tam giác, dao động plasmon bị tách thành hai mode: dao động tứ cực ngoài mặt phẳng tại bước sóng 332 nm và dao động lưỡng cực dọc bị dịch đỏ mạnh lên 645-817 nm tùy thuộc vào độ dài cạnh đĩa.

3. Nano bạc tiêu diệt vi khuẩn E. coli và Salmonella theo những cơ chế cụ thể nào? Hạt nano bạc kích thước dưới 10 nm tấn công lớp peptidoglycan tạo các hố thủng (pits) làm tăng tính thấm và vỡ màng tế bào. Đồng thời, ion Ag+ thâm nhập vào tế bào chất, liên kết chặt với nhóm thiol (-SH) của protein, làm tê liệt enzyme hô hấp và phá vỡ cấu trúc DNA trong vòng 15 đến 30 phút tiếp xúc.

4. Yếu tố pH môi trường chi phối quá trình hình thành hạt nano bạc như thế nào? Độ pH quyết định trực tiếp đến tốc độ khử và độ phân ly của nhóm carboxylate trong phân tử citrate. Môi trường kiềm có pH từ 8,5 đến 9,4 giúp tối đa hóa lực đẩy tĩnh điện, ngăn ngừa hiện tượng kết đám và tăng tốc độ hình thành đĩa tam giác nhanh hơn 35% so với môi trường pH 6,0.

5. Những thiết bị phân tích hiện đại nào đã được ứng dụng để kiểm chứng chất lượng hạt nano? Nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM1010 để định lượng kích thước hạt 3-10 nm, hệ máy đo quang phổ UV-Vis hai chùm tia Jasco V530 trong dải 200-1100 nm và nhiễu xạ kế tia X Siemens D5000 bước sóng 1,5406 Å để kiểm tra độ tinh khiết pha tinh thể.

Kết luận

• Tổng hợp thành công hạt keo nano bạc mầm hình cầu kích thước 8-10 nm và chuyển hóa dị hướng thành cấu trúc đĩa tam giác bằng phương pháp quang hóa đèn LED xanh 532 nm.

• Giải thích toàn diện cơ chế quang học dựa trên hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt SPR, lý thuyết Mie và lý thuyết Gans với dải dịch chuyển đỉnh hấp thụ từ 401 nm đến 817 nm.

• Tối ưu hóa thành công bộ thông số công nghệ: độ pH kiềm từ 8,5 đến 9,4, tỷ lệ nồng độ tiền chất 5:4 và 5:5 cùng thời gian chiếu sáng từ 2 đến 5 giờ.

• Khẳng định hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ của hạt keo nano bạc trên hai chủng vi khuẩn Gram âm nguy hiểm là E. coli và Salmonella.

• Thiết lập giải pháp công nghệ xanh, chi phí thấp cho việc chế tạo vật liệu nano ứng dụng trong y tế và xử lý môi trường.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, định hướng nghiên cứu sẽ tập trung nâng quy mô sản xuất và thử nghiệm màng lọc nano trên diện rộng. Các cơ sở y tế và doanh nghiệp sản xuất quan tâm có thể khai thác trực tiếp dữ liệu luận văn để hoàn thiện các ứng dụng khử khuẩn thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về các hạt nano Hạt nano là vật liệu có kích thước từ vài đến hàng trăm nm, bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nguyên tử giống nhau. Do kích thước nhỏ nên các tính chất lý hóa của chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối [2]. Các hạt nano tinh thể được phân tán trong dung môi, vì vậy phải áp dụng các biện pháp cần thiết để tránh hiện tượng kết đám.

Các hạt nano tinh thể thường có dạng cầu, ngoài ra còn có dạng khác như: thanh (rod), trụ (cylinder), lăng trụ (prism), tam giác (triangle), tứ giác (quadrilateral)… Vì kích thước của các hạt nano nhỏ cùng bậc với độ lớn của bước sóng de Broglie của điện tử và lỗ trống ở nhiệt độ phòng, do đó các trạng thái của hạt tải tự do trong hạt nano bị lượng tử hóa. Các hạt nano tinh thể dạng cầu, các điện tử và lỗ trống bị cầm giữ cả ba chiều thì chuyển động của các hạt tải bị quyết định hoàn toàn bởi cơ học lượng tử, vì vậy các mức năng lượng của các hạt nano phụ thuộc vào kích thước hạt của chúng. Bằng cách khống chế kích thước hạt trong quá trình tổng hợp người ta có thể thu được các hạt với tính chất mong muốn. Các hạt có kích thước càng nhỏ thì khoảng cách giữa các mức năng lượng của chúng càng lớn.

Phần dưới đây giới thiệu một số hạt nano tinh thể phát quang chính được sử dụng trong đánh dấu sinh học như: Các chấm lượng tử (QD), các hạt vi cầu, các hạt kim loại. Các hạt vi cầu Các hạt vi cầu là những hạt nano trên nền polymer hoặc silica chứa các chất màu hữu cơ hoặc vô cơ. Chất màu có thể được gắn trên bề mặt hoặc đưa vào trong hạt vi cầu bằng liên kết hóa trị hay liên kết không hóa trị. So với các chất màu hữu cơ thì các hạt vi cầu có độ bền quang cao hơn vì nền polymer và silica bảo vệ các chất màu hữu cơ khỏi oxi hóa.

Độ chói của tín hiệu huỳnh quang của vi cầu có thể được điều khiển bằng số phân tử chất màu trong mỗi vi cầu với mật độ chất màu 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] lớn nhất được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang. Vì vậy, hạt vi cầu có thể có độ bền quang tương đối tốt. Ví dụ các chất màu pyrenne trong hạt vi cầu polystyrene có độ bền quang cao gấp 40 lần trong dung môi. Chấm lượng tử Các nano tinh thể trên cơ sở bán dẫn được quan tâm nghiên cứu nhiều từ khoảng ba thập kỷ trở lại đây bởi những tính chất lượng tử đặc biệt thú vị của chúng.

Các tính chất đó là hệ quả của sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước hạt. Về mặt vật lý mà nói, các tính chất lượng tử (trong trường hợp này là sự phụ thuộc của huỳnh quang vào kích thước hạt) xuất hiện nếu cặp điện tử-lỗ trống (exciton) bị cầm giữ trong kích thước nhỏ hơn bán kính Borh của vật liệu khối (bán kính exciton Bohr). Hệ quả của điều kiện này là trạng thái của các hạt tải tự do trong nano tinh thể bán dẫn bị lượng tử hóa và khoảng cách giữa các mức năng lượng (màu của bức xạ) liên quan tới kích thước của hạt. Biểu diễn vùng bước sóng phát quang của các chấm lượng tử có kích thước khác nhau được làm từ một số vật liệu [3].1, mỗi vạch biểu diễn khoảng vùng phát quang nhận được từ chấm lượng tử nhỏ nhất (cận trái) đến lớn nhất bên phải (cận phải) của vật liệu nêu tên 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Các hạt kim loại Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co và các oxit như Fe 2 O 3 , CuO, trong đó các hạt Au, Ag được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang. Có 3 phương pháp kích thích quang chính được sử dụng để kích thích quang các hạt kim loại là: 1) Kích thích trực tiếp các hạt nano kim loại; 2) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt kim loại; 3) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite) bán dẫn - kim loại. Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nano kim loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: Phát quang, quang phi tuyến và tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS). Hạt nano bạc 1.

Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc Bạc là kim loại mềm, dẻo, dễ uốn, có hóa trị một, có màu trắng bóng ánh kim nếu bề mặt có độ đánh bóng cao. Bạc có độ dẫn điện tốt nhất trong các kim loại, cao hơn cả đồng, nhưng do giá thành cao nên nó không được sử dụng rộng rãi để làm dây dẫn điện như đồng. Bạc nguyên chất có độ dẫn nhiệt cao nhất, màu trắng nhất, độ phản quang cao nhất (mặc dù nó là chất phản xạ tia cực tím rất kém) và điện trở thấp nhất trong các kim loại. Các muối halogen của bạc nhạy sáng và có hiệu ứng rõ nét khi bị chiếu sáng.

Kim loại này ổn định trong không khí sạch và nước, nhưng bị mờ xỉn đi trong ôzôn, sulfua hiđrô, hay không khí có chứa lưu huỳnh. Trạng thái oxi hóa ổn định nhất của bạc là +1; có một số hợp chất trong đó nó có hóa trị +2 đã được tìm thấy [4]. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính chất vật lý của Ag Trạng thái vật chất Rắn Điểm nóng chảy 1.924 °F) Trạng thái trật tự từ nghịch từ Thể tích phân tử 10,27 ×10-6 m³/mol Nhiệt bay hơi 250,58 kJ/mol Nhiệt nóng chảy 11,3 kJ/mol Áp suất hơi 0,34 Pa tại 1234 K Vận tốc truyền âm thanh 2.600 m/s tại 293,15 K Độ âm điện 1,93 (thang Pauling) Nhiệt dung riêng 232 J/(kg.

731,0 kJ/mol Năng lượng ion hóa 2.3 Tính chất quang của nano bạc 3. Phổ hấp thụ plasmon (absorption plasmon spectra) Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance-SPR) là hiện tượng dao động cộng hưởng của các electron dẫn tại bề mặt của vật liệu khi bị kích thích bởi ánh sáng tới. Hạt nano kim loại quý nói chung và hạt nano bạc nói riêng có khả năng tương tác mạnh với bức xạ điện từ [5]. Khi bị bức xạ điện từ kích thích, các electron dẫn linh động của các hạt nano này sẽ bị dịch chuyển (Hình 1.

Nếu kích thước hạt nano nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng chiếu tới thì sự dịch chuyển của các electron sẽ tạo thành một lưỡng cực điện. Lưỡng cực điện này sẽ dao động 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] với tần số của ánh sáng kích thích [5]. Trong trường hợp tần số của ánh sáng tới cộng hưởng với tần số nội tại của các electron dẫn tại vùng gần bề mặt của hạt thì ánh sáng bị hấp thụ và tán xạ mạnh. Trong phổ hấp thụ và tán xạ của hạt nano xuất hiện dải có cường độ cực đại gọi là dải cộng hưởng plasmon bề mặt [6].

Theo lý thuyết Mie, đối với các hạt nano dạng cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: (i) thứ nhất là hình dạng và kích thước của hạt nano, (ii) thứ hai là bản chất của vật liệu, (iii) thứ ba là môi trường xung quanh của hạt nano. Lý thuyết Mie được áp dụng cho các hệ có nồng độ hạt nhỏ và bỏ qua tương tác giữa các hạt nano [6]. Đỉnh phổ hấp thụ của hạt nano bạc sẽ dịch về phía bước sóng ngắn khi kích thước hạt giảm và dịch về bước sóng dài khi kích thước của hạt nano bạc tăng lên [6]. Sự dao động plasmon của hạt nano bạc dưới tác dụng của bức xạ điện từ [7].

8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. A trình bày phổ UV-vis của các mẫu hạt nano bạc dạng cầu có kích thước thay đổi từ 5 nm đến 100 nm [6]. Đối với hạt nano bạc không có dạng hình cầu thì đỉnh phổ hấp thụ của chúng sẽ dịch về phía bước sóng dài [5]. Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt Hiện tượng tín hiệu tán xạ Raman được tăng cường dựa trên hiệu ứng plasmon bề mặt được gọi là hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface- Enhanced Raman Scattering- SERS).

Sự tăng cường tán xạ Raman ở gần bề mặt kim loại được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1974 khi nghiên cứu phổ Raman của pyridine được hấp phụ trên điện cực bạc [5]. Cường độ của các dải phổ tăng cường từ 105-106 lần so với phổ Raman thường của pyridine. Sau đó, tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) được quan sát đối với nhiều loại phân tử hấp phụ trên các màng bạc mỏng nhám và hạt nano bạc [5]. Hiệu ứng SERS được giải thích dựa trên hai cơ chế chính: (i) thứ nhất là cơ chế tăng cường trường điện từ (Electromagnetic enhancement), (ii) thứ hai là cơ chế tăng cường hóa học (Chemical enhancement) [8].

Sự phụ thuộc các tính chất quang vào kích thước hạt Các tính chất quang phụ thuộc vào kích thước của các hạt keo đã được khảo sát chuyên sâu thông qua tán xạ Mie. Lý thuyết Mie mô tả toán lý sự tán xạ của bức xạ điện từ bởi các hạt cầu nhúng trong một môi trường liên tục bằng cách giải phương trình Maxwell cho một sóng điện từ tương tác với một quả cầu nhỏ, có hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số giống như vật liệu khối. Đối với các hạt nano kim loại có kích thước d nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng tới ( 2r  , hoặc một cách gần đúng 2r < max/10) thì dao động của điện tử được coi là dao động lưỡng cực và thiết diện tắt được viết dưới dạng đơn giản:   ( ) Cext ( )  9  m3 / 2V ( )  2 2 (1.1) c [ 1  ]  [ 2 ( ) ]2 m 2 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính được thiết diện tán xạ Csca và thiết diện hấp thụ Cabs với các hạt cầu nhỏ biểu diễn dưới dạng: k 4V 2 2 27  Csca   1  2 (1.2) 18  (1  2 2 )   2  2 4 Trong đó: V  r 3 là thể tích hình cầu,  là tần số góc của ánh sáng tới, 3 c là tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không, m và () = 1() + i2() là hằng số điện môi của môi trường xung quanh và của vật liệu hạt.