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, bao gồm cả vi khuẩn Gram âm như Escherichia coli và Salmonella. 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 học của các hạt nano; thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn đối với vi khuẩn Salmonella và E. coli. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian năm 2018 tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, với các mẫu nano bạc được chế tạo và phân tích chi tiết.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển phương pháp chế tạo nano bạc mới, thân thiện môi trường, có thể kiểm soát kích thước và hình dạng hạt, từ đó nâng cao hiệu quả diệt khuẩn. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng của vật liệu 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 vật lý - hóa học liên quan đến tính chất quang học của hạt nano bạc:

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

  • 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.

  • Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface-Enhanced Raman Scattering - SERS): Tăng cường tín hiệu Raman nhờ dao động plasmon bề mặt của hạt nano bạc, ứng dụng trong phân tích hóa học và sinh học.

Các khái niệm chính bao gồm: kích thước hạt nano, hình dạng hạt, phổ hấp thụ plasmon, hiệu ứng lượng tử, và cơ chế kháng khuẩn của nano bạc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quang hóa để chế tạo hạt nano bạc bằng cách chiếu sáng dung dịch mầm chứa ion bạc và chất khử bằng đèn LED xanh (bước sóng khoảng 532 nm). Quá trình gồm hai bước chính:

  1. Tạo mầm: Dung dịch AgNO3 (2,5 mM) được phối trộn với tri-natriumcitrat-dihydrat (TSC) và sodium borohydride (NaBH4) làm chất khử, tạo ra các hạt nano bạc dạng cầu kích thước khoảng 8-10 nm.

  2. Phát triển hạt: Dung dịch mầm được chiếu sáng bằng hệ thống 7 đèn LED xanh với công suất 0,51 mW/cm² trong các khoảng thời gian từ 0,5 đến 12 giờ, điều chỉnh pH (6,0 - 9,4) và tỷ lệ nồng độ NaBH4/AgNO3 để tạo ra các dạng hạt nano bạc khác nhau như đĩa tam giác, đĩa tam giác cụt.

Nguồn dữ liệu thu thập gồm phổ hấp thụ UV-Vis, ảnh chụp TEM, phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và kết quả thử nghiệm kháng khuẩn trên vi khuẩn E. coli và Salmonella. Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu dung dịch nano bạc được chế tạo dưới các điều kiện khác nhau, chọn mẫu ngẫu nhiên theo phương pháp thuận tiện. Phân tích dữ liệu sử dụng các phần mềm xử lý phổ và hình ảnh, kết hợp so sánh với các nghiên cứu trước.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị hóa chất, thực nghiệm chế tạo, phân tích đặc trưng và thử nghiệm 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 nano bạc có đỉnh plasmon ở 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 thành các hạt nano bạc dạng đĩa tam giác và đĩa tam giác cụt.

  2. Ảnh hưởng của pH và nồng độ chất khử: Khi pH tăng từ 6,0 đến 9,4, phổ hấp thụ plasmon dịch chuyển về bước sóng dài hơn, kích thước và hình dạng hạt biến đổi rõ rệt. Tỷ lệ nồng độ NaBH4/AgNO3 thay đổi từ 5:1 đến 5:5 ảnh hưởng đến tốc độ phát triển và kích thước hạt, với kích thước hạt nano bạc dao động trong khoảng 5-50 nm.

  3. Hình thái và cấu trúc hạt nano bạc: Ảnh TEM cho thấy hạt nano bạc dạng cầu đồng đều, kích thước nhỏ, trong khi các hạt đĩa tam giác có kích thước lớn hơn và hình dạng dị hướng. Phân tích XRD xác nhận cấu trúc tinh thể bạc mặt lập phương (fcc) với các đỉnh đặc trưng rõ ràng, độ tinh khiết cao.

  4. Hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả: Thử nghiệm trên vi khuẩn E. coli và Salmonella bằng phương pháp đục lỗ cho thấy các mẫu nano bạc chế tạo có đường kính vùng vô khuẩn từ khoảng 10 đến 20 mm, vượt trội so với nhóm đối chứng sử dụng kháng sinh penicillin. Hiệu quả kháng khuẩn tăng theo kích thước và hình dạng hạt nano bạc.

Thảo luận kết quả

Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis minh họa rõ ràng sự phụ thuộc của tính chất quang vào kích thước và hình dạng hạt nano bạc, phù hợp với lý thuyết Mie và Gans. Sự dịch chuyển đỉnh plasmon về bước sóng dài khi kích thước hạt tăng và hình dạng dị hướng phát triển là do dao động plasmon lưỡng cực dọc và ngang phân tách.

Ảnh TEM và XRD khẳng định chất lượng mẫu nano bạc, đồng thời cho thấy phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh là hiệu quả trong việc điều khiển hình thái hạt. So với các nghiên cứu trước, phương pháp này có ưu điểm kiểm soát tốt hơn kích thước và hình dạng hạt, đồng thời thân thiện môi trường.

Hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc được giải thích qua cơ chế vật lý và hóa học: hạt nano bạc nhỏ có thể xuyên qua màng tế bào vi khuẩn, phá hủy cấu trúc màng và tương tác với các hợp chất chứa lưu huỳnh, phốt pho; ion Ag+ giải phóng từ hạt nano tương tác với DNA vi khuẩn, ức chế khả năng tái tạo. Các kết quả này phù hợp với các báo cáo trong ngành về cơ chế diệt khuẩn của nano bạc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis so sánh các mẫu, bảng tổng hợp kích thước hạt và đường kính vùng vô khuẩn, cùng ảnh TEM minh họa hình thái hạt nano bạc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa điều kiện chế tạo nano bạc: Khuyến nghị điều chỉnh pH dung dịch mầm trong khoảng 8,5 - 9,4 và tỷ lệ nồng độ NaBH4/AgNO3 từ 5:3 đến 5:5 để đạt kích thước hạt nano bạc đồng đều, hình dạng đĩa tam giác ưu việt, nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Thời gian chiếu LED nên duy trì từ 2 đến 5 giờ.

  2. Ứng dụng nano bạc trong sản phẩm y tế: Đề xuất phát triển các sản phẩm khẩu trang, găng tay, băng vết thương có phủ nano bạc nhằm tăng cường khả năng kháng khuẩn, giảm nguy cơ nhiễm khuẩn bệnh viện. Thời gian triển khai dự kiến 12-18 tháng, phối hợp với các đơn vị sản xuất vật liệu y tế.

  3. Mở rộng thử nghiệm kháng khuẩn: Khuyến nghị nghiên cứu thêm trên các chủng vi khuẩn Gram dương và virus để đánh giá phổ tác dụng rộng hơn của nano bạc, từ đó đa dạng hóa ứng dụng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 6-12 tháng.

  4. Phát triển màng lọc nước thải nano bạc: Đề xuất ứng dụng nano bạc trong xử lý môi trường, đặc biệt là màng lọc nước thải nhằm hạn chế vi khuẩn và nấm mốc, giảm mùi hôi và ô nhiễm. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu môi trường và doanh nghiệp công nghệ xử lý nước, với timeline 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý, Hóa học và Công nghệ nano: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tính chất quang học và phương pháp chế tạo hạt nano bạc, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Chuyên gia phát triển sản phẩm y tế và mỹ phẩm: Thông tin về hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc giúp thiết kế các sản phẩm kháng khuẩn hiệu quả, an toàn cho người dùng.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Nghiên cứu ứng dụng nano bạc trong xử lý nước thải và khử khuẩn môi trường, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và mở rộng thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ nano và ứng dụng trong y tế, môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano bạc là gì và tại sao nó có tính kháng khuẩn cao?
    Nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ vài đến vài chục nanomet, có diện tích bề mặt lớn giúp tăng khả năng tiếp xúc với vi khuẩn. Chúng có thể phá hủy màng tế bào vi khuẩn và tương tác với các phân tử quan trọng bên trong tế bào, dẫn đến hiệu quả diệt khuẩn cao.

  2. Phương pháp quang hóa sử dụng đèn LED xanh có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép điều khiển quá trình tổng hợp hạt nano bằng ánh sáng, giúp kiểm soát kích thước và hình dạng hạt, đồng thời phản ứng dừng khi ngừng chiếu sáng, giảm thiểu tác động môi trường và tăng tính an toàn.

  3. Kích thước và hình dạng hạt nano bạc ảnh hưởng thế nào đến tính chất quang và kháng khuẩn?
    Kích thước nhỏ và hình dạng dị hướng như đĩa tam giác làm tăng hiệu ứng plasmon bề mặt, nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng diện tích tiếp xúc với vi khuẩn, từ đó cải thiện hiệu quả kháng khuẩn.

  4. Nano bạc có an toàn khi sử dụng trong y tế không?
    Nano bạc chủ yếu tác động lên thành tế bào vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến tế bào động vật bậc cao, do đó được xem là an toàn khi sử dụng đúng liều lượng và trong các sản phẩm y tế được kiểm soát nghiêm ngặt.

  5. Có thể ứng dụng nano bạc trong xử lý môi trường như thế nào?
    Nano bạc được sử dụng trong màng lọc nước thải để hạn chế vi khuẩn và nấm mốc, giảm mùi hôi và ô nhiễm, giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

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 từ 8 đến 50 nm.
  • Tính chất quang của nano bạc phụ thuộc rõ rệt vào kích thước, hình dạng và điều kiện phản ứng như pH, nồng độ chất khử và thời gian chiếu sáng.
  • Nano bạc thể hiện hiệu quả kháng khuẩn cao đối với vi khuẩn E. coli và Salmonella, vượt trội so với kháng sinh truyền thống trong thử nghiệm.
  • Phương pháp quang hóa là giải pháp thân thiện môi trường, dễ kiểm soát và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y tế và xử lý môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng nano bạc, tối ưu hóa quy trình chế tạo và phát triển sản phẩm thương mại trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu ứng dụng nano bạc trong sản phẩm y tế và môi trường, đồng thời hợp tác với các doanh nghiệp để đưa công nghệ vào thực tiễn.