Nghiên cứu tổng hợp nano bạc từ dịch chiết lá sake và thử nghiệm khả năng kháng khuẩn

Khám phá quy trình tổng hợp nano bạc từ dịch chiết lá sake. Luận văn phân tích đặc trưng vật liệu và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả.

• Tác giả: Ngô Quang Hưng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Tự Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Sư phạm Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp nano bạc từ AgNO3 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá sake và ứng dụng kháng khuẩn
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Công nghệ nano bạc và ứng dụng trong y tế hiện đại

Nano bạc là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực y tế và công nghệ sinh học. Với kích thước cực nhỏ (từ 1-100nm), hạt nano bạc có khả năng xâm nhập sâu vào các tế bào vi sinh vật, tạo ra hiệu quả kháng khuẩn vượt trội so với bạc kim loại thông thường. Nghiên cứu từ Đại học Đà Nẵng đã chứng minh rằng nano bạc từ lá sake có thể được tổng hợp hiệu quả bằng phương pháp sử dụng dịch chiết nước tự nhiên. Phương pháp này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn giảm chi phí sản xuất đáng kể. Các ứng dụng của hạt nano bạc bao gồm xử lý nước, sản phẩm chăm sóc sức khỏe, dệt may kháng khuẩn, và các vật liệu y tế tiên tiến. Hiệu quả kháng khuẩn của nano bạc phụ thuộc vào kích thước hạt, hình dạng và khả năng phân tán trong dung dịch.

1.1. Định nghĩa và đặc điểm của nano bạc

Hạt nano bạc là các hạt bạc kim loại có kích thước rất nhỏ, thường từ 1-100 nanômét. Những hạt này sở hữu các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt khác với bạc thông thường, bao gồm diện tích bề mặt lớn, khả năng xúc tác cao, và hoạt tính sinh học mạnh mẽ. Nano bạc có màu vàng hoặc nâu nhạt khi phân tán trong dung dịch, do hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt. Các đặc tính này làm cho nano bạc trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng kháng khuẩn và chữa bệnh.

1.2. Tầm quan trọng của việc tổng hợp nano bạc từ nguồn thiên nhiên

Việc tổng hợp nano bạc từ lá sake bằng tác nhân khử tự nhiên có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Phương pháp này sử dụng các chất khử từ dịch chiết nước lá sake, giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại. Lá sake chứa các chất flavonoid, tanin và alkaloid có khả năng khử ion bạc thành nano bạc hiệu quả. Phương pháp tổng hợp xanh này không chỉ bảo vệ môi trường mà còn nâng cao giá trị kinh tế và ứng dụng của nano bạc trong các sản phẩm tiêu dùng.

II. Quy trình tổng hợp nano bạc từ lá sake

Quy trình tổng hợp nano bạc từ lá sake là một phương pháp tiên tiến kết hợp công nghệ sinh học với hóa học xanh. Đầu tiên, lá sake tươi được thu hái, rửa sạch và sấy khô để loại bỏ độ ẩm. Tiếp theo, các lá sake đã xử lý được ngâm trong nước cất để chiết xuất các chất hoạt động sinh học. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết bao gồm tỉ lệ rắn/lỏng, thời gian chiết và nhiệt độ. Dịch chiết chứa các chất khử mạnh như flavonoid và tanin sẽ được trộn với dung dịch AgNO₃ (nước). Tại đó, các chất này sẽ khử ion Ag⁺ thành những hạt nano bạc nhỏ. Điều kiện tối ưu như pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng sẽ quyết định kích thước và hình dạng của hạt nano bạc cuối cùng.

2.1. Các bước chuẩn bị nguyên liệu lá sake

Lá sake tươi được thu thập từ các vườn trồng sạch, không được xử lý hóa chất. Sau khi thu hái, lá được rửa sạch bằng nước cất để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất. Tiếp theo, lá được sấy khô ở nhiệt độ phòng hoặc lò sấy có kiểm soát nhiệt độ. Lá sake khô được cắt nhỏ hoặc nghiền để tăng diện tích tiếp xúc, giúp quá trình chiết xuất chất hoạt động sinh học hiệu quả hơn.

2.2. Quá trình chiết xuất dịch chiết nước và điều kiện tối ưu

Dịch chiết nước lá sake được tạo ra bằng cách ngâm lá sake khô trong nước cất với tỉ lệ rắn/lỏng khác nhau. Nghiên cứu cho thấy tỉ lệ tối ưu là 1:10 (1g lá trong 10ml nước). Thời gian chiết được khảo sát từ 1 giờ đến 24 giờ, với kết quả tối ưu khoảng 12-18 giờ. Dịch chiết nước lá sake thu được có màu vàng nhạt, chứa các chất flavonoid, tanin và alkaloid có khả năng khử ion Ag⁺ hiệu quả.

III. Thành phần hóa học và cơ chế kháng khuẩn của nano bạc

Nano bạc có khả năng kháng khuẩn đáng kinh ngạc thông qua nhiều cơ chế tác động lên vi khuẩn. Thành phần chính của nano bạc là ion Ag⁺ và các nguyên tử bạc kim loại. Khi tiếp xúc với vi khuẩn, nano bạc giải phóng ion Ag⁺ gây hỏng hoại màng tế bào, làm rò rỉ các chất quan trọng và dẫn đến chết tế bào. Ngoài ra, nano bạc cũng tạo ra các loại oxy hoạt động (ROS) gây stress oxy hóa trên các tế bào vi sinh vật. Các chất flavonoid và tanin từ lá sake trong thành phần dịch chiết nano bạc cũng góp phần nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc không chỉ dừng lại ở việc tiêu diệt vi khuẩn mà còn ức chế sự phát triển và sinh sản của chúng.

3.1. Các chất hoạt động sinh học trong lá sake

Lá sake chứa ba nhóm chất hoạt động chính: flavonoid, tanin và alkaloid. Flavonoid có tính antioxidant mạnh, giúp bảo vệ các tế bào và có khả năng kháng khuẩn. Tanin là các polyphenol có thể liên kết với protein vi khuẩn, gây biến dạng và chết tế bào. Alkaloid có các tác dụng sinh học đa dạng, bao gồm kháng khuẩn, chống viêm và giảm đau. Những chất này đồng thời có thể hoạt động như tác nhân khử trong quá trình tạo nano bạc.

3.2. Cơ chế phá vỡ vi khuẩn của hạt nano bạc

Hạt nano bạc phá vỡ tế bào vi khuẩn qua ba cơ chế chính. Thứ nhất, ion Ag⁺ từ nano bạc tương tác với DNA vi khuẩn, làm suy yếu hệ thống di truyền. Thứ hai, nano bạc gây stress oxy hóa bằng cách tạo ra các loại oxy hoạt động, phá hủy các thành phần tế bào. Thứ ba, nano bạc xâm nhập vào màng tế bào vi khuẩn, gây rò rỉ chất nội bào. Kết hợp ba cơ chế này, nano bạc có khả năng tiêu diệt hoàn toàn các vi khuẩn gây bệnh.

IV. Ứng dụng kháng khuẩn của nano bạc từ lá sake

Nano bạc từ lá sake có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực y tế, vệ sinh và công nghiệp. Hiệu quả kháng khuẩn của nano bạc đã được chứng minh trên nhiều loại vi khuẩn gây bệnh như E. coli, S. aureus, và P. aeruginosa. Trong lĩnh vực y tế, nano bạc có thể được sử dụng để phủ lên các thiết bị y tế như ống thông, mạng ghép, và các vết mổ để ngăn ngừa nhiễm trùng. Trong công nghiệp dệt may, nano bạc được tích hợp vào các sợi vải để tạo ra quần áo kháng khuẩn. Trong lĩnh vực xử lý nước, nano bạc có thể sử dụng để làm sạch nước uống bằng cách tiêu diệt các vi khuẩn độc hại. Ngoài ra, nano bạc còn được ứng dụng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân như kem đánh răng, xà phòng kháng khuẩn, và mỹ phẩm.

4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe

Nano bạc được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm y tế nhằm ngăn ngừa nhiễm trùng. Các vết mổ được phủ với nano bạc có tỷ lệ lây nhiễm thấp hơn so với các phương pháp truyền thống. Nano bạc cũng được thêm vào các băng vết thương, kem bôi và dung dịch sát trùng để nâng cao hiệu quả điều trị vết thương nhiễm trùng. Trong sản phẩm chăm sóc cá nhân, nano bạc từ lá sake giúp ngăn ngừa sự phát triển của các vi khuẩn gây mụn và các bệnh da khác.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp dệt may và xử lý nước

Trong ngành dệt may, nano bạc được tích hợp vào sợi vải bằng các phương pháp nhuộm hiện đại, tạo ra các sản phẩm quần áo kháng khuẩn, chống mùi hôi. Những quần áo này đặc biệt hữu ích cho y tế, thể thao và các công nhân làm việc trong môi trường bẩn. Trong xử lý nước, nano bạc được sử dụng trong các bộ lọc nước tiên tiến để loại bỏ các vi khuẩn gây bệnh, đảm bảo nước uống sạch và an toàn cho sức khỏe con người.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ NANO 1. Lịch sử hình thành của công nghệ nano [1],[4],[6] Thực sự các hạt nano đã tồn tại hàng triệu năm trong thế giới tự nhiên. Từ thế kỷ thứ 10, người ta đã sử dụng hạt nano vàng để tạo ra thủy tinh, gốm sứ có màu sắc khác nhau (màu đỏ, xanh hoặc vàng tùy vào kích thước của hạt)… Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohman sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm.

Năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai. Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano biểu thị con số 10-9 tức kích thước 1 phần tỷ mét. Cho tới nay, vẫn chưa có được một định nghĩa thống nhất về công nghệ nano. Những đột phá của khoa học nano trong hầu hết mọi lĩnh vực khoa học và công nghệ nano khiến cuộc sống trở nên dễ dàng hơn trong thời đại này.

Khoa học nano và công nghệ nano đại diện cho một lĩnh vực nghiên cứu đang mở rộng, bao gồm các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có các đặc tính và chức năng mới do sự sắp xếp các nguyên tử của chúng ở thang đo 1–100 nm. Lĩnh vực này đã gây ra nhiều tranh cãi và nhận thức cộng đồng ngày càng tăng vào đầu những năm 2000, đồng thời cũng là thời điểm bắt đầu các ứng dụng thương mại của công nghệ nano. Công nghệ nano đóng góp cho hầu hết mọi lĩnh vực khoa học, bao gồm vật lý, khoa học vật liệu, hóa học, sinh học, khoa học máy tính và kỹ thuật. Đáng chú ý, trong những năm gần đây công nghệ nano đã được ứng dụng vào sức khỏe con người với những kết quả đầy hứa hẹn, đặc biệt là trong lĩnh vực điều trị ung thư.

Để hiểu bản chất của công nghệ nano, sẽ rất hữu ích khi xem lại dòng thời gian của những khám phá đã đưa chúng ta đến sự hiểu biết hiện tại về khoa học này. Đánh giá này minh họa sự tiến bộ và các nguyên tắc chính của khoa học nano và công nghệ nano, đồng thời thể hiện kỷ nguyên dòng thời gian tiền hiện đại cũng như hiện đại của những khám phá và cột mốc quan trọng trong các lĩnh vực này. Công nghệ Nano thực sự phát triển và phổ biến rộng rãi từ khi cuộc cách mạng 4. Tính đến hiện tại, nó đã góp một phần không nhỏ đến việc phục vụ con người.

Điển hình là khâu sản xuất các mặt hàng thủy tinh, gốm, sứ,… đều có sự góp mặt của công nghệ này. Công nghệ Nano hiện được coi là ngành công nghệ hàng đầu về khoa học – kĩ thuật trên thế giới và hứa hẹn sẽ ngày một phát triển trong tương lai. Vật liệu nano a. Khái niệm Khi nói đến vật liệu nano là đến một phần tỷ của cái gì đó.

Ví dụ, một nano giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của giây. Còn nano mà chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nanomet, một phần tỷ của một met. Nói một cách rõ ràng hơn là vật liệu chất rắn có kích thước nanomet vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy vậy không phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó [3].

17 Vật liệu nano có thể là những tập hợp của các nguyên tử kim loại hay phi kim (được gọi là Cluster) hay phân tử của các oxit, sunfua, nitrua, borua… có kích thước trong khoảng từ 1 đến 100 nm. Đó cũng có thể là những vật liệu xốp với đường kính mao quản nằm trong giới hạn tương tự (zeolit, photphat, cacbonxylat kim loại…) [6]. Vật liệu nano là đối tượng của công nghệ nano, kích thước của vật liệu nano được trải rộng. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano có kích thước 10nm.

Nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài của chúng bằng một ngàn lần chu vi trái đất [6]. Các loại vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích cỡ nanomet. Về trạng thái vật liệu có thể là rắn, lỏng, hoặc khí [3]. Về hình dạng vật liệu nano có thể chia thành các loại : -Vật liệu nano ba chiều (cả ba chiều có kích cỡ nanomet hay còn gọi là vật liệu nano không chiều) như đám nano, dung dịch keo nano, hạt nano… - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu có hai chiều đều là kích thước nanomet, ví dụ như màng mỏng.

- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó chỉ có một chiều là kích thước nanomet. Ví dụ như dây nano, ống nano,… - Vật liệu có cấu trúc nano chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều và hai chiều đan xen lẫn nhau. Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số chiều bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano 3 chiều, dây nano là vật liệu nano 2 chiều và màng mỏng là vật liệu nano 1 chiều.

Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano + Vật liệu nano kim loại. + Vật liệu nano bán dẫn. + Vật liệu nano từ tính. + Vật liệu nano sinh học.

Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng của chúng ta sau đây là “hạt nano kim loại’’ trong đó “hạt’’ được phân loại theo hình dáng, “kim loại’’ được phân loại theo tính chất. Cơ sở khoa học Công nghệ nano dựa trên ba cơ sở khoa học chính [20]: - Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Khác với vật liệu khối, khi ở kích thước nano thì các tính chất lượng tử được thể hiện rất rõ ràng. Vì vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần tính tới các thăng giáng ngẫu nhiên.

Ở kích thước càng nhỏ thì các tính chất lượng tử càng thể hiện một cách rõ ràng hơn. Ví dụ một 18 chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. - Hiệu ứng bề mặt: Cùng một khối lượng nhưng khi ở kích thước nano chúng có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với khi chúng ở dạng khối. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano có liên quan tới khả năng tiếp xúc bề mặt của vật liệu, như trong các ứng dụng vật liệu nano làm chất diệt khuẩn.

Đây là một tính chất quan trọng làm nên sự khác biệt của vật liệu có kích thước nanomet so với vật liệu ở dạng khối. - Độ dài tới hạn: Kích thước tới hạn là kích thước mà ở đó vật giữ nguyên các tính chất về vật lý, hóa học khi ở dạng khối. Nếu kích thước vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu đến kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của vùng ánh sáng thấy được (400 - 700nm), theo Mie hiện tượng "cộng hưởng plasmon bề mặt" xảy ra và ánh sáng quan sát được sẽ thay đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng xảy ra hiện tượng cộng hưởng.

Hay như tính dẫn điện của vật liệu khi tới kích thước tới hạn thì không tuân theo định luật Ohm nữa. Mà lúc này điện trở của chúng sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Mỗi vật liệu đều có những kích thước tới hạn khác nhau và bản thân trong một vật liệu cũng có nhiều kích thước tới hạn ứng với các tính chất khác nhau của chúng. Bởi vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần xác định rõ tính chất sẽ nghiên cứu là gì.

Chính nhờ những tính chất lý thú của vật liệu ở kích thước tới hạn nên công nghệ nano có ý nghĩa quan trọng và thu hút được sự chú ý đặc biệt của các nhà nghiên cứu. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu. Độ dài tới hạn Lĩnh vực Tính chất (nm) Bước sóng điện tử 10-100 Tính chất điện Quãng đường tự do trung bình không 1-100 đàn Hiệuhồi ứng đường ngầm 1-10 Độ dày vách đômen 10-100 Tính chất từ Quãng đường tán xạ spin 1-100 Hố lượng tử 1-100 Tính chất quang Độ dài suy giảm 10-100 Độ sâu bề mặt kim loại 10-100 Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100 Tính siêu dẫn Độ thẩm thấu Meisner 1-100 Tương tác bất định xứ 1-1000 Biên hạt 1-10 Tính chất cơ Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100 Sai hỏng mầm 0,1-10 19 Độ dài tới hạn Lĩnh vực Tính chất (nm) Độ nhăn bề mặt 1-10 Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10 Độ dài Kuhn 1-100 Siêu phân tử Cấu trúc nhị cấp 1-10 Cấu trúc tam cấp 10-1000 Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10 1. Tình hình nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nước Hiện nay, khoa học và công nghệ nano đang phát triển mạnh mẽ và đem lại nhiều ứng dụng cho các ngành khoa học khác như: điện tử, vật lý, hóa học, sinh học, y học và môi trường… Các ứng dụng vượt trội của công nghệ nano giúp tiềm năng kinh tế cũng như tạo ra sức mạnh về quân sự nên hiện nay trên thế giới đang xảy ra cuộc chạy đua sôi động về phát triển và ứng dụng công nghệ nano.

Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc, Đức là những cường quốc đang chiếm lĩnh thị trường công nghệ nano. Ở Việt Nam, Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu đã phát động nghiên cứu về nano vào năm 1997 đi sau thế giới không quá chậm và cũng có những bước chuyển tạo ra sức hút mới. Một số viện nghiên cứu, trường đại học đã có bước tiến khá dài với không ít sản phẩm nano bước chân ra thị trường. Để đạt những kết quả có thể chia sẻ, so sánh với các phòng thí nghiệm tiên tiến trên thế giới, họ đã chọn những hướng nghiên cứu có thể tận dụng thành quả từ các nước phát triển và tối ưu hóa sản phẩm phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Theo nhận định của nhiều chuyên gia, công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc cách mạng đột phá trong nhiều ngành khoa học và đời sống, tạo tiền đề cho một “thế giới nhỏ hơn và thông minh hơn’’ [8].