Luận văn thạc sĩ về tổng hợp nano bạc bằng phương pháp vi nhũ tương và ứng dụng kháng khuẩn

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật Liệu Nano
• Đề tài: Tổng Hợp Nano Bạc Từ Vi Nhũ Tương Và Ứng Dụng Kháng Khuẩn
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về vật liệu nano
• 1.2. Các khái niệm cơ bản
• 1.3. Tính chất vật liệu nano
• 1.4. Phân loại vật liệu nano
• 1.5. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
• 1.6. Tổng quan về hạt nano bạc và hợp chất TiO2
• 1.6.1. Hạt nano bạc
• 1.6.2. Hợp chất TiO2
• 1.7. Giới thiệu về phương pháp tổng hợp nano bạc và hợp chất TiO2
• 1.7.1. Phương pháp vi nhũ tương
• 1.7.2. Phương pháp Sol-gel
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Chuẩn bị hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị được sử dụng để tiến hành thí nghiệm
• 2.3. Các thiết bị được sử dụng trong việc phân tích mẫu
• 2.4. Quy trình thí nghiệm
• 2.4.1. Quy trình tổng hợp dung dịch nano bạc
• 2.4.2. Quy trình tổng hợp sol TiO2:Ag
• 2.4.3. Quy trình tạo mẫu màng và bột TiO2:Ag
• 2.5. Các phương pháp phân tích mẫu
• 2.5.1. Phổ tử ngoại và khả kiến UV-Vis (Ultraviolet – Visible)
• 2.5.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.5.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.5.4. Phương pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano bạc
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp dung dịch nano bạc
• 3.2. Kết quả phân tích UV-Vis
• 3.3. Kết quả phân tích TEM
• 3.4. Kết quả kiểm tra hàm lượng bạc thực tế trong mẫu
• 3.5. Kết quả phân tích khả năng diệt khuẩn
• 3.6. Kết quả tạo màng và bột TiO2:Ag
• 3.6.1. Kết quả phân tích mẫu màng
• 3.6.2. Kết quả phân tích mẫu bột
• 3.7. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về nano bạc

Nano bạc là một trong những vật liệu nano được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y học và công nghệ kháng khuẩn. Tổng hợp nano bạc từ vi nhũ tương là một phương pháp hiệu quả, cho phép tạo ra các hạt nano với kích thước đồng nhất và tính chất kháng khuẩn vượt trội. Các hạt nano bạc có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, nấm và virus, nhờ vào tính chất kháng khuẩn tự nhiên của chúng. Theo nghiên cứu, nano bạc có thể ức chế sự phát triển của vi khuẩn bằng cách phá hủy màng tế bào và can thiệp vào quá trình trao đổi chất của chúng. Điều này làm cho nano bạc trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong y học, như trong việc chế tạo băng gạc kháng khuẩn và các thiết bị y tế.

1.1. Tính chất kháng khuẩn của nano bạc

Tính chất kháng khuẩn của nano bạc được xác định bởi kích thước và hình dạng của các hạt. Các nghiên cứu cho thấy rằng hạt nano bạc có kích thước nhỏ hơn 100 nm có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả hơn so với các hạt lớn hơn. Cơ chế hoạt động của nano bạc liên quan đến việc giải phóng ion bạc, ion này có khả năng liên kết với protein và DNA của vi khuẩn, dẫn đến sự chết tế bào. Hơn nữa, nano bạc có độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác động của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa, điều này giúp tăng cường hiệu quả kháng khuẩn trong thời gian dài.

II. Phương pháp tổng hợp nano bạc

Phương pháp tổng hợp nano bạc từ vi nhũ tương được coi là một trong những phương pháp tiên tiến nhất hiện nay. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano một cách chính xác. Vi nhũ tương là một hệ thống phân tán, trong đó các giọt chất lỏng nhỏ được phân tán trong một chất lỏng khác. Khi sử dụng vi nhũ tương để tổng hợp nano bạc, các ion bạc được khử thành các hạt bạc thông qua các phản ứng hóa học diễn ra trong môi trường vi nhũ tương. Điều này không chỉ giúp tạo ra các hạt nano bạc đồng nhất mà còn cải thiện tính ổn định của chúng trong các dung môi khác nhau.

2.1. Quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp nano bạc từ vi nhũ tương bao gồm các bước chính như chuẩn bị dung dịch, tạo vi nhũ tương và khử ion bạc. Đầu tiên, các hóa chất cần thiết được hòa tan trong dung môi để tạo thành dung dịch. Sau đó, dung dịch này được khuấy trộn để tạo ra vi nhũ tương. Cuối cùng, ion bạc được thêm vào và quá trình khử diễn ra, tạo ra các hạt nano bạc. Kết quả thu được là các hạt nano bạc có kích thước nhỏ và đồng nhất, có khả năng kháng khuẩn cao. Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, do không sử dụng các hóa chất độc hại.

III. Ứng dụng của nano bạc trong kháng khuẩn

Ứng dụng của nano bạc trong kháng khuẩn rất đa dạng, từ y học đến công nghiệp thực phẩm. Trong y học, nano bạc được sử dụng để chế tạo các băng gạc kháng khuẩn, giúp ngăn ngừa nhiễm trùng trong các vết thương. Hơn nữa, nano bạc còn được ứng dụng trong các thiết bị y tế như ống thông, catheters, và các dụng cụ phẫu thuật, nhờ vào khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ của nó. Trong ngành công nghiệp thực phẩm, nano bạc được sử dụng để bảo quản thực phẩm, ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc, từ đó kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm.

3.1. Tính năng kháng khuẩn trong thực phẩm

Tính năng kháng khuẩn của nano bạc trong thực phẩm được thể hiện qua khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây hại. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng nano bạc trong bao bì thực phẩm có thể giảm thiểu sự phát triển của vi khuẩn như E. coli và Salmonella. Điều này không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Hơn nữa, việc sử dụng nano bạc trong thực phẩm còn giúp giảm thiểu việc sử dụng các hóa chất bảo quản độc hại, từ đó tạo ra sản phẩm an toàn hơn cho người tiêu dùng.

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nano, với kích thước từ 0,1 đến 100 nm, đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu trọng điểm trong khoa học vật liệu hiện đại nhờ những tính chất đặc biệt khác biệt so với vật liệu khối truyền thống. Trong đó, hạt nano bạc (Ag) và hợp chất TiO2 là hai loại vật liệu có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kháng khuẩn và xúc tác quang học. Theo ước tính, nano bạc có khả năng kháng khuẩn vượt trội, với 1 gam nano bạc có thể sát khuẩn cho hàng trăm mét vuông chất nền, trong khi TiO2 nổi bật với tính năng xúc tác quang hóa mạnh mẽ, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ và vi sinh vật dưới tác động ánh sáng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp nano bạc bằng phương pháp vi nhũ tương nhằm khắc phục nhược điểm của các phương pháp truyền thống, đạt được hạt nano bạc có kích thước nhỏ, đồng đều và ổn định. Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng pha tạp nano bạc vào chất nền TiO2 để tăng cường khả năng tự làm sạch và diệt khuẩn mà không cần chiếu xạ UV. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tổng hợp và phân tích các mẫu nano bạc và TiO2:Ag trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam, với các phân tích vật lý và hóa học chi tiết.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc phát triển quy trình tổng hợp vật liệu nano bạc ổn định, đồng thời mở rộng ứng dụng của TiO2 trong các sản phẩm tự làm sạch và kháng khuẩn, góp phần nâng cao hiệu quả và tính bền vững trong các ngành công nghiệp y sinh, môi trường và vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về vật liệu nano và lý thuyết về phương pháp tổng hợp vi nhũ tương và sol-gel.

1. Lý thuyết vật liệu nano: Tập trung vào hai hiệu ứng quan trọng là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Hiệu ứng bề mặt làm tăng tỉ lệ nguyên tử trên bề mặt khi kích thước hạt giảm, dẫn đến sự thay đổi tính chất vật liệu. Hiệu ứng kích thước liên quan đến sự thay đổi đột ngột các tính chất vật lý và hóa học khi kích thước hạt nano tương đương với độ dài đặc trưng của các tính chất vật liệu (ví dụ như quãng đường tự do trung bình của điện tử).

2. Lý thuyết vi nhũ tương: Vi nhũ tương là hệ phân tán gồm pha dầu và pha nước, ổn định nhờ chất hoạt động bề mặt. Phân loại vi nhũ tương thành nhũ tương thuận (dầu trong nước, o/w) và nhũ tương đảo (nước trong dầu, w/o). Việc lựa chọn chất hoạt động bề mặt và tỷ lệ pha ảnh hưởng lớn đến tính ổn định và kích thước hạt nano tạo thành.

3. Lý thuyết sol-gel: Quá trình chuyển từ dung dịch (sol) sang gel thông qua phản ứng thủy phân và ngưng tụ alkoxide kim loại. Phản ứng này tạo thành mạng lưới oxide kim loại ba chiều, từ đó hình thành vật liệu rắn với cấu trúc đồng đều. Sol-gel cho phép điều khiển cấu trúc vật liệu và tạo màng mỏng hoặc bột nano với độ tinh khiết cao.

Các khái niệm chính bao gồm: cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của hạt nano bạc, cấu trúc tinh thể của TiO2 (anatase, rutile), và cơ chế diệt khuẩn của ion Ag+ liên kết với thành phần tế bào vi khuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu nano bạc và TiO2:Ag tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu gồm các dung dịch nano bạc được tổng hợp với các dung môi khác nhau (cyclohexane, isooctane, dodecane) và các mẫu màng, bột TiO2:Ag được tạo thành.

Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chuẩn bị mẫu theo quy trình vi nhũ tương và sol-gel, nhằm đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của hạt nano. Các mẫu được phân tích bằng các kỹ thuật:

• Phổ UV-Vis để xác định phổ hấp thụ và kích thước hạt nano bạc.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt nano.
• Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể của các mẫu bột và màng.
• Phân tích hàm lượng bạc thực tế trong mẫu bằng phương pháp sắc ký.
• Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn trên vi khuẩn Escherichia coli ATCC 25922.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm các bước chuẩn bị hóa chất, tổng hợp mẫu, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp dung dịch nano bạc: Dung dịch nano bạc được tổng hợp thành công bằng phương pháp vi nhũ tương với các dung môi cyclohexane, isooctane và dodecane. Kết quả phổ UV-Vis cho thấy bước sóng hấp thụ plasmon bề mặt dao động từ 400 đến 450 nm, phụ thuộc vào loại dung môi và nồng độ AgNO3. Nồng độ AgNO3 tăng từ 0,1M đến 0,2M làm bước sóng hấp thụ dịch chuyển về phía dài hơn, cho thấy kích thước hạt nano tăng lên.

2. Phân tích TEM: Hình ảnh TEM cho thấy hạt nano bạc có kích thước trung bình khoảng 5-10 nm, đồng đều và phân bố đều trong dung dịch. Mẫu sử dụng cyclohexane cho hạt nano có kích thước nhỏ và đồng nhất nhất, trong khi dodecane tạo hạt có kích thước lớn hơn và phân bố rộng hơn.

3. Hàm lượng bạc thực tế: Phân tích hàm lượng bạc trong dung dịch nano bạc cho thấy hiệu suất khử ion Ag+ đạt khoảng 85-90%, đảm bảo lượng bạc kim loại trong dung dịch phù hợp với thiết kế ban đầu.

4. Khả năng diệt khuẩn: Thử nghiệm trên vi khuẩn Escherichia coli cho thấy dung dịch nano bạc có hiệu suất diệt khuẩn đạt trên 95% sau 2 giờ tiếp xúc, vượt trội so với bạc khối truyền thống. Mẫu nano bạc tổng hợp bằng cyclohexane có hiệu quả diệt khuẩn cao nhất, tương ứng với kích thước hạt nhỏ và đồng đều.

5. Tạo màng và bột TiO2:Ag: Màng TiO2:Ag được tạo thành bằng phương pháp sol-gel và phủ nhúng, sau khi nung ở 600°C có cấu trúc tinh thể anatase và rutile rõ rệt qua phổ XRD. Sự pha tạp nano bạc làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, giúp tăng hiệu quả xúc tác quang và kháng khuẩn mà không cần chiếu xạ UV.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp vi nhũ tương là hiệu quả trong việc kiểm soát kích thước và phân bố hạt nano bạc, nhờ vào vai trò của chất hoạt động bề mặt AOT và tỷ lệ mol nước/ chất hoạt động bề mặt. Sự lựa chọn dung môi ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt và tính ổn định của dung dịch nano bạc, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của môi trường phân tán đến đặc tính hạt nano.

Hiệu quả diệt khuẩn cao của nano bạc được giải thích bởi cơ chế ion Ag+ liên kết với thành phần màng tế bào vi khuẩn, vô hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy và ngăn chặn sao chép DNA, đồng thời kích thước nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc. So với các nghiên cứu khác, hiệu suất diệt khuẩn trên 95% là mức cao, chứng tỏ chất lượng hạt nano đạt yêu cầu.

Việc pha tạp nano bạc vào TiO2 làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, mở rộng phạm vi ứng dụng của TiO2 trong điều kiện ánh sáng tự nhiên mà không cần chiếu xạ UV mạnh. Điều này có ý nghĩa lớn trong phát triển vật liệu tự làm sạch và kháng khuẩn thân thiện môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ UV-Vis thể hiện sự dịch chuyển bước sóng hấp thụ theo nồng độ AgNO3 và loại dung môi, bảng phân bố kích thước hạt nano từ TEM, và biểu đồ hiệu suất diệt khuẩn so sánh giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ mol nước/chất hoạt động bề mặt: Điều chỉnh tỷ lệ này nhằm kiểm soát kích thước hạt nano bạc trong khoảng 5-10 nm, tăng tính đồng nhất và ổn định dung dịch. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

2. Mở rộng nghiên cứu dung môi thân thiện môi trường: Thay thế các dung môi hữu cơ hiện tại bằng các dung môi sinh học hoặc ít độc hại để giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao tính ứng dụng công nghiệp. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

3. Phát triển quy trình tạo màng TiO2:Ag trên các bề mặt công nghiệp: Áp dụng phương pháp phủ nhúng và sol-gel để tạo màng kháng khuẩn trên kính, vải, và vật liệu xây dựng, nhằm tăng cường khả năng tự làm sạch và kháng khuẩn. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và nghiên cứu ứng dụng.

4. Khảo sát hiệu quả kháng khuẩn trên các chủng vi khuẩn đa dạng: Mở rộng thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn nano bạc và TiO2:Ag trên các vi khuẩn gây bệnh phổ biến khác để đánh giá tính phổ rộng và ứng dụng y sinh. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm vi sinh và y sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano: Có thể áp dụng quy trình tổng hợp vi nhũ tương và sol-gel để phát triển các vật liệu nano kim loại và oxide với tính chất đồng nhất và ổn định.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu kháng khuẩn và tự làm sạch: Tham khảo để ứng dụng công nghệ nano bạc và TiO2:Ag trong sản xuất màng phủ, vải, kính, giúp nâng cao hiệu quả sản phẩm và mở rộng thị trường.

3. Chuyên gia y sinh và vi sinh vật học: Nghiên cứu cơ chế diệt khuẩn của nano bạc, đánh giá hiệu quả kháng khuẩn và phát triển các sản phẩm y tế, thiết bị y tế có tính năng kháng khuẩn cao.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành khoa học vật liệu, hóa học và công nghệ nano: Tài liệu tham khảo chi tiết về lý thuyết, phương pháp tổng hợp và phân tích vật liệu nano bạc và TiO2, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano bạc có an toàn cho sức khỏe con người không?
   Nano bạc với liều lượng tương đối cao được chứng minh không gây hại cho sức khỏe con người, nhờ tính ổn định và không chứa phụ gia hóa chất độc hại. Ví dụ, nano bạc được ứng dụng trong vật liệu y tế và tiêu dùng an toàn.

2. Phương pháp vi nhũ tương có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp vi nhũ tương cho phép kiểm soát tốt kích thước, hình dạng và tính đồng nhất của hạt nano, đồng thời dung dịch nano bạc ổn định lâu dài ở nhiệt độ phòng, khác với phương pháp hóa học hay vật lý truyền thống.

3. Tại sao cần pha tạp nano bạc vào TiO2?
   Pha tạp nano bạc giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng của TiO2 sang vùng khả kiến, tăng hiệu quả xúc tác quang và khả năng diệt khuẩn mà không cần chiếu xạ UV, nâng cao tính ứng dụng trong điều kiện ánh sáng tự nhiên.

4. Làm thế nào để đánh giá kích thước hạt nano bạc?
   Kích thước hạt nano bạc được đánh giá bằng phổ UV-Vis thông qua bước sóng hấp thụ plasmon bề mặt và quan sát trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), cho kết quả chính xác về kích thước và phân bố hạt.

5. Nano bạc có thể diệt được những loại vi khuẩn nào?
   Nano bạc có hiệu quả diệt khuẩn cao trên nhiều chủng vi khuẩn, đặc biệt là Escherichia coli, với hiệu suất trên 95% sau 2 giờ tiếp xúc. Nghiên cứu mở rộng có thể áp dụng cho các vi khuẩn gây bệnh khác trong y sinh và môi trường.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công dung dịch nano bạc kích thước 5-10 nm bằng phương pháp vi nhũ tương với hiệu suất khử ion Ag+ đạt khoảng 85-90%.
• Nano bạc thể hiện hiệu quả diệt khuẩn cao trên vi khuẩn Escherichia coli, đạt trên 95% hiệu suất.
• Màng và bột TiO2:Ag được tạo thành có cấu trúc tinh thể anatase và rutile, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến và kháng khuẩn mà không cần chiếu xạ UV.
• Phương pháp vi nhũ tương và sol-gel là các kỹ thuật hiệu quả, đơn giản, có thể ứng dụng trong sản xuất vật liệu nano đồng nhất và ổn định.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng vật liệu và khảo sát hiệu quả kháng khuẩn trên nhiều chủng vi sinh vật khác.

Mời quý độc giả và các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá và ứng dụng các kết quả nghiên cứu này để phát triển các sản phẩm vật liệu nano tiên tiến, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.