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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYỄN VĂN ĐÔNG CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT NANO BẠC NHẰM ỨNG DỤNG TRONG DIỆT KHUẨN CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC THÁI NGUYÊN – 2018 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Phạm Minh Tân và TS. Vũ Xuân Hòa - Những người Thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, các cô Khoa Vật lý và Công nghệ - Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, trong suốt hai năm qua, đã truyền đạt những kiến thức quý báu để chúng tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu và các thầy cô giáo Trường THPT Chuyên Hưng Yên, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện để tôi được tham gia khóa học và hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin được cảm ơn tới gia đình và bạn bè. Những người luôn ở bên cạnh và ủng hộ tôi, đã cho tôi những lời khuyên và động viên tôi hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2018 Học viên Nguyễn Văn Đông LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU . i DANH MỤC HÌNH VẼ . ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . Tổng quan về các hạt nano . Các hạt vi cầu . Chấm lượng tử . Các hạt kim loại . Hạt nano bạc . Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc . Tính chất vật lý của Ag .3 Tính chất quang của nano bạc. Phổ hấp thụ plasmon (absorption plasmon spectra) . Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào kích thước hạt . Sự phụ thuộc các tính chất quang vào hình dạng hạt –lý thuyết Gans . Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc . Phương pháp khử hóa học . Phương pháp khử sinh học . Phương pháp khử vật lý . Phương pháp quang hóa chế tạo nano Ag sử dụng đèn LED xanh. Ứng dụng các hạt nano bạc . Ứng dụng trong diệt khuẩn . Các ứng dụng khác . Trong y tế, mỹ phẩm. Vật dụng, trang thiết bị . Xử lý môi trường: Màng lọc nước thải nano bạc. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM . Hóa chất và dụng cụ . 26 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp quang hóa (Chiếu bằng đèn LED) . Các bước tiến hành thực nghiệm . Khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến quá trình hình thành hạt nano bạc. Thay đổi độ pH dung dịch mầm . Thay đổi nồng độ chất khử NaBH4 dung dịch mầm. Thay đổi thời gian chiếu LED, nhiệt độ . Khảo sát tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc với khuẩn Escherichia coli (E. coli) và Salmonella . Các phương pháp khảo sát đặc trưng của vật liệu . Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) . Nhiễu xạ tia X (XRD) . Phổ hấp thụ . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . Phổ hấp thụ của hạt nano bạc (AgNPs) . Hình thái và kích thước hạt . Phân tích cấu trúc . Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến chất lượng mẫu . Thời gian chiếu LED . Ảnh hưởng của độ pH . Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4 . Thử nghiệm về tính kháng khuẩn. 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Danh mục dung dịch các hóa chất dùng trong thực nghiệm .2: Thay đổi độ pH của dung dịch mầm .3: Thay đổi nồng độ chất khử NaBH4 của dung dịch mầm.4: Thay đổi thời gian chiếu LED với mẫu pH=6,0 .5: Thay đổi thời gian chiếu LED với mẫu pH=7,4 .6: Thay đổi thời gian chiếu LED với mẫu pH=8,5 .7: Thay đổi thời gian chiếu LED với mẫu pH=9,4 .8: Thay đổi thời gian chiếu LED và thay đổi tỷ lệ nồng độ [NaBH4]/[AgNO3] .1: Cực đại hấp thụ plasmon của mầm và của các hạt nano bạc được chiếu LED theo thời gian . 49 i LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Biểu diễn vùng bước sóng phát quang của các chấm lượng tử có kích thước khác nhau được làm từ một số vật liệu . Sự dao động plasmon của hạt nano bạc dưới tác dụng của bức xạ điện từ . (A) Phổ UV-vis và (B) màu của các dung dịch nano bạc có kích thước từ 5-100 nm . Phổ hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt nano vàng kích thước 9, 22, 48 và 99 nm. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh nano vàng với các tỷ lệ tương quan: R = 2,7; R = 3,3 . Cấu trúc hóa học của citrate . Phổ hấp thụ của dung dịch tiền chất Ag trước và sau khi thêm NaBH4…… 19 Hình 1. Phổ hấp thụ của dung dịch hỗn hợp gồm AgNO3, citrate và BSPP. Mô hình oxi hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus . Tổng quát quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác từ Ag dạng cầu . Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình chuyển đổi hình thái học theo Ref . Cấu trúc tế bào . Ảnh TEM của tế bào vi khuẩn E. coli không tiếp xúc với hạt bạc (a) và tiếp xúc với hạt bạc (b) và hình ảnh phóng đại (c và d) . Ứng dụng của nano bạc vào khẩu trang y tế và thuốc bôi khử trùng . Ứng dụng của nano bạc vào thiết bị công nghệ . Hệ thống chiếu LED tạo hạt nano bạc . Thử nghiệm diệt khuẩn E. coli và Salmonella bằng hạt nano bạc. 36 ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua . Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg . Sơ đồ hệ đo phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến . Mô tả định luật Lambert-Beer . Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis . Phổ hấp thụ plasmon của các hạt AgNPs sau khi được chế tạo bằng phương pháp cảm quang dưới sự kích thích của LED (mẫu có pH=9,4) gồm: mầm, hạt AgNPs sau khi chiếu LED 2h và 5h. Hình thái kích thước hạt AgNPs được chế tạo bằng phương pháp cảm quang dưới chiếu sáng đèn LED trong 2h. (a), (b) - Ảnh TEM của các hạt AgNPs mầm ở các độ phóng đại khác nhau. (c)- Ảnh TEM của các hạt đĩa AgNPs dạng tam giác. (f)- Ảnh TEM phóng to của 2 đĩa AgNPs dạng tam giác . Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với [NaBH4]:[AgNO3]=5:1, và 100 µl TSC (2,5 mM). Đường mầu đỏ là thể hiện của mẫm và đường mầu đen là của đĩa nano dạng tam giác sau khi chiếu LED trong 2h . Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED (công suất 0,51 mW/cm2) lên sự phát triển của mẫu AgNPs có pH=8,5. (b)- Vị trí các đỉnh phổ cực đại thay đổi theo thời gian chiếu LED. (c) – Phần phóng to của vị trí các cực đại phổ hấp thụ plasmon phụ thuộc vào thời gian chiếu LED trong khoảng 0-5h. (d)- Ảnh chụp kỹ thuật số mầu sắc của các dung dịch chứa các AgNPs theo thời gian chiếu LED . Phổ hấp thụ của các mẫu mầm với các độ pH khác nhau (pH=6; 7,4; 8,5; 9,4) . Ảnh hưởng của pH lên phổ hấp thụ plasmon của các AgNPs. 50 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. So sánh phổ hấp thụ plasmon của các mẫu có pH khác nhau ứng với thời gian chiếu sáng khác nhau. Phổ hấp thụ của các hạt AgNPs mầm với các tỷ lệ [NaBH4]:[AgNO3] thay đổi: 5:1; 5:2; 5:3; 5:4 và 5:5 . Ảnh hưởng của nồng độ chất khử lên phổ hấp thụ plasmon của các AgNPs ở các thời gian chiếu LED khác nhau. Thử kháng khuẩn của các mầm AgNPs đối với vi khuẩn Salmonella và khuẩn E. (a) - mẫu mầm AgNPs với tỷ lệ nồng độ [NaBH4]/[AgNO3]=5:4 và [NaBH4]:[AgNO3]=5:5, KS là kháng sinh penicillin làm đối chứng. 55 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tên đầy đủ Tên tiếng Việt 1 AgNPs Silver nanoparticles Nano bạc 2 SPR Surface Plasmon Resonace Cộng hưởng Plasmon bề mặt 3 UV-Vis Ultraviolet − Visible Máy đo quang phổ hấp thụ Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền 4 TEM Microsscopy qua Fourrier Transformation 5 FTIR Phổ hồng ngoại Infrared spectroscopy 6 E. coli Escherichia coli Vi khuẩn E. coli v LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỞ ĐẦU Trên thế giới, công nghệ nano đã và đang trở thành cuộc cách mạng để đổi mới và sáng tạo các sản phẩm công nghệ mới. Ứng dụng các vật liệu kích thước nano là vấn đề được quan tâm nhiều trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano. Trong những năm gần đây các vật liệu có kích thước nano được đặc biệt quan tâm nghiên cứu chế tạo và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Khi kích thước của vật liệu giảm xuống đến thang nano mét thì vật liệu đó bị chi phối bởi hiệu ứng giam cầm lượng tử. Chính do có hiệu ứng này mà vật liệu có những tính chất đặc biệt và tạo nguồn cảm hứng cho các nhà khoa học nghiên cứu. Những nghiên cứu về các vật liệu có kích thước nano rất phong phú và đa dạng như nghiên cứu chế tạo các vật liệu (vật liệu bán dẫn, vật liệu quang học, thông tin quang, . ), nghiên cứu cơ bản các tính chất về cấu trúc, tính chất quang, tính chất điện - từ, và các ứng dụng của nó. Các vật liệu nano thể hiện các tính chất quang, điện tử và từ đặc biệt mà ở các vật liệu khối không có. Bằng sự điều khiển thay đổi kích thước nano của chúng, các tính chất quang học có thể được kiểm soát để làm tăng chức năng quang đặc biệt và tạo ra các tính chất quang mới cũng như là có thể tích phân được nhiều chức năng vào một linh kiện đa chức năng. Đặc biệt các vật liệu cấu trúc nano còn được ứng dụng rất tốt trong y sinh. Từ lâu, bạc nano được biết đến là chất có tính năng kháng khuẩn hiệu quả. Bạc nano có khả năng hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm mốc, vi khuẩn và thậm chí là cả virut. Bạc và các dạng muối bạc đã được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử khuẩn. Các nghiên cứu chỉ ra rằng bạc có khả năng tiêu diệt đến 650 loài vi khuẩn [1].