ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NÔNG VIỆT TRINH
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG NẤM MỐC CỦA CHẾ PHẨM
PHỐI HỢP CHITOSAN - NANO BẠC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hệ đào tạo
Chuyên ngành
Khoa
Khóa học
: Chính quy
: Công nghệ Thực phẩm
: CNSH - CNTP
: 2012 - 2016
Thái nguyên, năm 2016
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NÔNG VIỆT TRINH
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG NẤM MỐC CỦA CHẾ PHẨM
PHỐI HỢP CHITOSAN - NANO BẠC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Hệ đào tạo : Chính quy
Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
Lớp
: K 44 - CNTP
Khoa
: CNSH - CNTP
Khóa học
: 2012 - 2016
Giảng hƣớng dẫn: Th.S Lƣơng Hùng Tiến
Thái nguyên, năm 2016
i
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp này, bên cạnh sự nỗ lực của bản
thân, em đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ các cá nhân và tập thể.
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn, thầy
Lương Hùng Tiến giảng viên khoa CNSH - CNTP đã tin tưởng giao đề tài, tận tình
giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành
khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo làm việc và quản lí tại phòng thí
nghiệm đã thường xuyên giúp đỡ em thực hiện và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn toàn thể người thân trong gia đình cùng bạn bè đã
quan tâm, ủng hộ và tạo điều kiện để em hoàn thành tốt khóa luận này.
Dù đã cố gắng rất nhiều, xong bài khóa luận vẫn còn những thiếu xót và hạn
chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những ý kiến đóng góp quý báu của thầy,
cô giáo và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái nguyên ngày 29 tháng 5 năm 2016
Sinh viên
Nông Việt Trinh
ii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano bạc................................8
Bảng 4.1. Ảnh hưởng của nồng độ nano bạc đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium digitatum............................................................................. 36
Bảng 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ nano bạc đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium expansum............................................................................. 38
Bảng 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ nano bạc đến hoạt tính kháng nấm mốc
Alternaria sp........................................................................................... 39
Bảng 4.4. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium digitatum............................................................................. 41
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium expansum............................................................................. 42
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hoạt tính kháng nấm mốc
Alternaria sp........................................................................................... 44
Bảng 4.7. Ảnh hưởng của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc ở các tỉ lệ phối
trộn khác nhau đến hoạt tính kháng nấm mốc Penicillium digitatum.....46
Bảng 4.8. Ảnh hưởng của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc ở các tỉ lệ phối
trộn khác nhau đến hoạt tính kháng nấm mốc Penicillium expansum.....47
Bảng 4.9. Ảnh hưởng của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc ở các tỉ lệ phối
trộn khác nhau đến hoạt tính kháng nấm mốc Alternaria sp...................49
iii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Công thức cấu tạo của chitin......................................................................13
Hình 2.2. Công thức cấu tạo của chitosan.................................................................13
Hình 3.1. Sơ đồ phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu của nano bạc.......32
Hình 3.2. Sơ đồ phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu của chitosan........33
Hình 3.3. Sơ đồ phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu của chế phẩm phối
hợp Chitosan - Nano bạc
34
Hình 4.1. Ảnh hưởng của nồng độ nano bạc đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium digitatum
37
Hình 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ nano bạc đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium expansum
38
Hình 4.3. Ảnh hưởng của nồng độ nano bạc đến hoạt tính kháng nấm mốc
Alternaria sp 39
Hình 4.4. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium digitatum
41
Hình 4.5. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hoạt tính kháng nấm mốc
Penicillium expansum
43
Hình 4.6. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hoạt tính kháng nấm mốc
Alternaria sp 44
Hình 4.7. Ảnh hưởng của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc ở các tỉ lệ phối
trộn khác nhau đến hoạt tính kháng nấm mốc Penicillium digitatum 46
Hình 4.8. Ảnh hưởng của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc ở các tỉ lệ phối
trộn khác nhau đến hoạt tính kháng nấm mốc Penicillium expansum 48
Hình 4.9. Ảnh hưởng của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc ở các tỉ lệ phối
trộn khác nhau đến hoạt tính kháng nấm mốc Alternaria sp
50
Hình 4.10. Khả năng kháng Penicillium digitatum của chế phẩm phối hợp Chitosan
- Nano bạc theo thời gian 51
Hình 4.11. Khả năng kháng Penicillium expansum của chế phẩm phối hợp Chitosan
- Nano bạc theo thời gian 52
Hình 4.12. Khả năng kháng Alternaria sp của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano
bạc theo thời gian
52
iv
DANH MỤC CÁC TỪ, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
A. sp
Alternaria sp
DD
Degree of deacetylation
MIC
Nồng độ ức chế tối thiểu
P. digitatum
Penicillium digitatum
P. expansum
Penicillium expansum
PE
Polyethylene
PLA
Phenyllalanime ammonia-lyase
POD
Peroxidase
PPO
Polyphenol oxydase
v
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................i
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH..........................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT.................................................iv
MỤC LỤC....................................................................................................................v
PHẦN 1: MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề..............................................................................................................1
1.2. Mục tiêu và yêu cầu của đề tài..............................................................................2
1.2.1. Mục tiêu của đề tài............................................................................................. 2
1.2.2. Yêu cầu của đề tài...............................................................................................2
1.3. Ý nghĩa của đề tài..................................................................................................3
1.3.1. Ý nghĩa trong khoa học......................................................................................3
1.3.2. Ý nghĩa trong thực tiễn...................................................................................... 3
PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU....................................................................... 4
2.1. Tổng quan về nano bạc..........................................................................................4
2.1.1. Khái niệm công nghệ nano.................................................................................4
2.1.2. Phân loại vật liệu nano.......................................................................................4
2.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano..................................................................4
2.1.4. Giới thiệu về hạt nano bạc................................................................................. 5
2.1.4.1. Hạt nano bạc....................................................................................................5
2.1.4.2. Tính chất lý hóa của hạt nano bạc...................................................................6
2.1.5. Tính kháng vi sinh vật của nano bạc..................................................................9
2.1.6. Ứng dụng của nano bạc....................................................................................11
2.2. Tổng quan về chitosan........................................................................................ 12
2.2.1. Nguồn gốc của chitin và chitosan....................................................................12
2.2.2. Cấu trúc hóa học của chitosan.........................................................................13
2.2.3. Tính chất của chitosan......................................................................................14
2.2.4. Đặc tính kháng vi sinh vật của chitosan..........................................................17
vi
2.2.5. Ứng dụng của chitosan.....................................................................................19
2.3. Tổng quan về nấm mốc.......................................................................................23
2.3.1. Nấm mốc Penicillium digitatum......................................................................23
2.3.2. Nấm mốc Penicillium expansum..................................................................... 24
2.3.3. Nấm mốc Alternaria sp....................................................................................25
2.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.........................................................25
2.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới..................................................................25
2.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................................... 27
PHẦN 3: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 29
3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................... 29
3.1.1. Đối tượng..........................................................................................................29
3.1.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ...........................................................................29
3.2. Địa điểm và thời gian tiến hành nghiên cứu.......................................................30
3.3. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................30
3.4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 30
3.4.1. Phương pháp xác định mật độ tế bào bằng phương pháp đếm khuẩn lạc..…..30
3.4.2. Chuẩn bị môi trường nuôi cấy và dung dịch đệm acetate...............................30
3.4.3. Phương pháp pha chitosan 2%.........................................................................31
3.4.4. Phương pháp bảo quản giống..........................................................................31
3.4.5. Phương pháp xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của nano bạc lên nấm
mốc............................................................................................................................. 32
3.4.6. Phương pháp xác định MIC của chitosan đối với nấm mốc...........................33
3.4.7. Phương pháp xác định MIC của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc....33
3.4.8. Theo dõi thời gian kháng nấm mốc của chế phẩm phối hợp
Chitosan - Nano bạc...................................................................................................35
PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 36
4.1. Xác định MIC của nano bạc với nấm mốc Penicillium digitatum, Penicillium
expansum, Alternaria sp.......................................................................................... 36
4.1.1. Xác định MIC của nano bạc với nấm mốc Penicillium digitatum..................36
4.1.2. Xác định MIC của nano bạc với nấm mốc Penicillium expansum................37
vii
4.1.3. Xác định MIC của nano bạc với nấm mốc Alternaria sp................................39
4.2. Xác định MIC của chitosan với nấm mốc Penicillium digitatum, Penicillium
expansum, Alternaria sp.......................................................................................... 40
4.2.1. Xác định MIC của chitosan với nấm mốc Penicillium digitatum...................40
4.2.2. Xác định MIC của chitosan với nấm mốc Penicillium expansum..................42
4.2.3. Xác định MIC của chitosan với nấm mốc Alternaria sp.................................43
4.3. Xác định MIC của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc đối với nấm mốc
Penicillium digitatum, Penicillium expansum, Alternaria sp.................................45
4.3.1. Xác định MIC của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc đối với nấm mốc
Penicillium digitatum.............................................................................................. 45
4.3.2. Xác định MIC của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc đối với nấm mốc
Penicillium expansum............................................................................................. 47
4.3.3. Xác định MIC của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc đối với nấm mốc
Alternaria sp........................................................................................................... 48
4.4. Theo dõi thời gian kháng nấm mốc Penicillium digitatum, Penicillium
expansum, Alternaria sp của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc...................51
PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................. 54
5.1. Kết luận............................................................................................................... 54
5.2. Đề nghị................................................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 1
I. Tiếng Việt
II. Tài liệu tiếng Anh
PHỤ LỤC
1
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Việt Nam có khí hậu nóng ẩm rất thuận lợi cho nấm mốc phát triển. Nấm mốc
là nguyên nhân chính gây hư hỏng các sản phẩm lương thực, thực phẩm, rau quả
đặc biệt là làm hư hỏng quả sau thu hoạch. Trong đó có ba chủng nấm mốc xuất
hiện rất phổ biến, gây hư hỏng trên cam quýt và táo đó là Penicillium digitatum,
Alternaria sp, Penicillium expansum [6]. Chúng gây ra bệnh mốc lục cam quýt, thối
đen cam quýt, nhất là giai đoạn tồn trữ sau thu hoạch, gây nhiều thiệt hại về kinh tế
cho con người. Có rất nhiều công trình nghiên cứu và các biện pháp nhằm ngăn
chặn sự phát triển của nấm mốc trên nông sản sau thu hoạch đã được công bố như
bảo quản trái cây sau thu hoạch bằng sulfitsodium (Na 2SO3) hoặc làm chậm quá
trình chín của quả bằng cách sử dụng một số hóa chất như nitrat bạc (AgNO 3) [6].
Tuy nhiên các hóa chất nói trên đều là các hóa chất có thể gây ảnh hưởng đến sức
khỏe của người tiêu dùng nếu sử dụng với liều lượng quá mức cho phép. Đặc biệt
các sản phẩm xử lý bằng hóa chất gặp phải rào cản rất nghiêm ngặt khi xuất khẩu
sang các nước EU, Nhật, Mỹ [24]. Gần đây một xu hướng đang được phát triển trên
thế giới là sử dụng các chất bảo quản có nguồn gốc tự nhiên hoặc sinh học để bảo
quản nông sản.
Bạc từ lâu đã được sử dụng trong điều trị bệnh y tế do thuộc tính kháng khuẩn
tự nhiên của nó. Nano bạc là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn, có đặc tính
khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, không có hại cho sức khỏe con người với liều
lượng tương đối cao, ổn định ở nhiệt độ cao, chi phí cho quá trình sản xuất thấp
[46]. Ngoài ra nó cũng không gây phản ứng phụ, liều lượng không gây độc cho con
người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc bằng nồng độ diệt khuẩn (< 100ppm)
+
[57]. Khả năng kháng khuẩn của nano bạc nhờ vào các ion Ag , ion này có khả
năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên thành tế bào của vi
sinh vật và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt
2
vi sinh vật [56]. Do động vật không có thành tế bào vì vậy chúng không bị tổn
thương khi tiếp xúc với ion này.
Chitosan là một polysaccharide tuyến tính, là sự kết hợp ngẫu nhiên của β(14)-D glucosamine và N-acetyl-D glucosamine. Chitosan thương mại có nguồn gốc
từ vỏ tôm và mai mực [46]. Nó có khả năng tự hòa hợp và tự phân hủy sinh học, độc
tính thấp, kháng khuẩn, kháng nấm, hoạt tính sinh cao. Chitosan ức chế vi sinh vật
là do liên kết giữa ion mang điện tích dương vs ion âm của tế bào vi sinh vật, làm
thay đổi tính thấm của màng tế bào. Vì vậy chitosan được ứng dụng nhiều trong
việc bảo quản, chế biến nông sản, ví dụ như bảo quản thực phẩm và các loại hoa quả
và rau [8], các loại thịt cá [17], lọc trong nước quả.
Chitosan có khả năng kháng vi sinh vật tuy nhiên khả năng kháng nấm mốc
của chitosan trong thực tế là tương đối thấp do đó để tăng hoạt tính kháng khuẩn
của chitosan cần kết hợp chitosan với một vật liệu có khả năng kháng khuẩn tốt hơn
(nano bạc). Mặt khác chitosan có đặc tính tạo gel nên giúp cho việc cố định nano
bạc trên bề mặt của chúng và ngăn không cho nano bạc thấm sâu vào các lớp bên
trong của quả do đó chúng tôi tiến hành đề tài “nghiên cứu khả năng kháng nấm
mốc của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc”.
1.2. Mục tiêu và yêu cầu của đề tài
1.2.1. Mục tiêu của đề tài
- Xác định được nồng độ ức chế tối thiểu của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano
bạc đối với nấm mốc Penicillium digitatum, Penicillium expansum, và Alternaria sp.
1.2.2. Yêu cầu của đề tài
- Xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) của nano bạc đối với nấm mốc
Penicillium digitatum, Penicillium expansum, Alternaria sp.
- Xác định MIC của Chitosan đối với nấm mốc Penicillium digitatum,
Penicillium expansum, Alternaria sp.
- Xác định MIC của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc đối với nấm mốc
Penicillium digitatum, Penicillium expansum, Alternaria sp.
3
- Theo dõi thời gian kháng nấm mốc Penicillium digitatum, Penicillium
expansum, Alternaria sp của chế phẩm phối hợp Chitosan - Nano bạc.
1.3. Ý nghĩa của đề tài
1.3.1. Ý nghĩa trong khoa học
- Đánh giá được sự tác động của chitosan, nano bạc và chế phẩm phối hợp
Chitosan - Nano bạc ở các nồng độ khác nhau lên khả năng kháng nấm mốc.
Từ đó là cơ sở để xác định nồng độ tác động hiệu quả nhất lên nấm mốc.
1.3.2. Ý nghĩa trong thực tiễn
- Ứng dụng chế phẩm Chitosan - Nano bạc trong chế tạo vật liệu kháng khuẩn,
bảo quản các loại quả có múi, táo, xoài, hay các sản phẩm động vật.
4
PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về nano bạc đạm
2.1.1. Khái niệm công nghệ nano
Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế
tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng,
kích thước trên quy mô nanomet [7]. Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có tính năng đặc
biệt mà vật liệu khác không có được đó chính là do sự thu nhỏ kích thước và việc
tăng diện tích bề mặt ngoài.
2.1.2. Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó có ít nhất một chiều có kích thước nano mét.
Về trạng thái vật liệu, người ta chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng, khí. Vật liệu nano
được tập trung nghiên cứu hiện nay chủ yếu là vật liệu dạng rắn, sau đó mới đến
lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau [9]:
- Vật liệu không chiều là vật liệu mà ba chiều đều có kích thước nano, ví dụ:
chấm lượng tử, đám nano, hạt nano…
- Vật liệu một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ:
dây nano, ống nano,…
- Vật liệu hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ:
màng mỏng,… (Chiều ở đây có nghĩa là chiều chuyển động không bị hạn chế bởi
kích thước của phần tử tải điện).
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có các phần không
chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
2.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Công nghệ nano dựa trên 3 cơ sở chính:
- 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 thăng
5
giáng ngẫu nhiên. Càng ở kích thước nhỏ thì các tính chất lượng tử càng thể hiện
một cách rõ ràng hơn. Ví dụ: một chấm lượng tử có thể được coi là một đại nguyên
tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử [7].
- Hiệu ứng bề mặt:
Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề
mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu
có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở dạng khối [7].
- Kích thước tới hạn:
Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích
thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị
thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. 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 quy tắc lượng tử. Mỗi vật liệu
đều có kích thước tới hạn khác nhau và bản thân trong một vật liệu cũng có nhiều
kích thước tới hạn ứng với 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 [9].
2.1.4. Giới thiệu về hạt nano bạc
2.1.4.1. Hạt nano bạc
Hạt nano bạc là các hạt có kích thước từ 1nm đến 100nm. Do có diện tích bề
mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng vi sinh vật tốt hơn so với các vật liệu
+
khối do khả năng giải phóng nhiều ion Ag hơn [57].
6
Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng này
tạo nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với
các màu sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano.
2.1.4.2. Tính chất lý hóa của hạt nano bạc
a. Tính chất quang
- Phổ hấp thụ của hạt nano bạc: Phổ hấp thụ của hạt nano bạc nằm trong
khoảng từ 400 - 460nm [54]. Phổ hấp thụ của hạt nano bạc phụ thuộc vào kích
thước của hạt nano bạc. Khi kích thước hạt tăng thì cường độ đỉnh tăng về phía
bước sóng dài. Kích thước hạt nano phụ thuộc vào các yếu tố trong quá trình chế tạo
hạt nano bạc. Với cùng 1 điều kiện, phương pháp chế tạo khác nhau thì đỉnh hấp thụ
của hạt nano bạc cũng khác nhau. Với cùng 1 phương pháp, khi thay đổi điều kiện
phản ứng như nồng độ chất tham gia phản ứng, tỉ lệ chất bao phủ, thời gian phản
ứng và nhiệt độ phản ứng thì phổ hấp thụ cũng có sự thay đổi.
- Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt: Tính chất quang học của hạt nano bạc
trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có màu sắc khác nhau. Các hiện
tượng đó bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt, là hiện tượng khi
hạt ở kích thước nano, các điện tử tự do trong hạt nano bạc tương tác với điện
trường từ ngoài dẫn đến sự hình thành các dao động đồng pha với một tần số cộng
hưởng nhất định. Các hạt nano bạc sẽ hấp thụ mạnh photon tới ở đúng tần số cộng
hưởng này [41].
Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác
dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao động sẽ bị
dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể
trong kim loại khi quãng đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước.
Nhưng khi kích thước của hạt nano bạc nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì
hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hưởng với ánh sáng
kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano bạc có được do sự dao động tập thể
của các điện tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao
động như vậy các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano bạc làm cho hạt nano bạc bị
7
phân cực điện tạo thành một lưỡng điện cực. Vì vậy xuất hiện một tần số cộng
hưởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dạng, độ lớn của hạt
nano bạc và môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất [9].
Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM_transmission eclectron
microcope) để quan sát hình dạng về kích thước hạt nano bạc và sử dụng thiết bị đo
phổ hấp thụ UV-Vis để quan sát hiệu ứng cộng hưởng Plasmon của hạt nano bạc.
Ngoài ra mật độ hạt nano bạc cũng ảnh hưởng đến tính chất quang. Nếu mật
độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến
ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [9].
b. Tính chất điện
Bạc là một kim loại dẫn điện tốt trong các kim loại. Bạc có mật độ điện tử tự
do cao nên điện trở của bạc rất nhỏ [9].
Đối với vật liệu bạc ở dạng khối, các lý thuyết về độ dẫn được tính toán dựa trên
cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại do tán xạ của điện tử lên
các sai hỏng trên mạng tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon).
Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại (dòng điện I) dưới tác dụng của điện
trường (U) có liên hệ với nhau thông qua định luật Ohm: U=IR, trong đó R là điện trở
của kim loại. Định luật Ohm cho thấy I-U là một đường tuyến tính [9].
Khi kích thước vật liệu giảm dần, hiệu ứng điện tử do giam hãm làm rời rạc
hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa này đối với hạt
nano bạc là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu
ứng chắc chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với
giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C đối với U và e/RC đối với I. Trong đó
e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và điện trở khoảng nối hạt nano bạc
với điện cực [9].
c. Tính chất nhiệt
Nhiệt nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các
nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các
nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật
8
liệu sẽ có số phối vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có
thể dễ dàng tái sắp xếp để có trạng thái khác hơn. Như vậy khi kích thước của hạt
nano bạc giảm thì nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm [9].
d. Hiệu ứng bề mặt
Khi hạt bạc có kích thước nanomet, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ
phần đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến
bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật
liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu bạc ở dạng khối.
Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt
càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Vật liệu ở bất cứ kích thước nào cũng có
hiệu ứng bề mặt, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có
điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua [9].
Bảng 2.1: Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano bạc [2].
Đường kính hạt nano (nm)
10
5
2
1
Số nguyên tử
30.000
4.000
250
30
Tỉ số nguyên tử
bề mặt (%)
20
40
80
90
Năng lượng bề mặt
(erg/mol)
Năng lượng bề mặt/ năng
lượng tổng(%)
4,08 1011 8,16
7,6
11
10
2,01
14,3
12
10
35,5
9,23
12
10
82,2
(Nguồn: thông tin sự kiện thành tựu KH - CN. Hạt nano kim
loại) d. Độc tính của nano bạc
Nano bạc giết chết vi sinh vật ngay lập tức bằng hai cơ chế: làm biến mất và
oxy hóa. Vì vậy vi sinh vật không có khả năng kháng lại bạc. Các tế bào của con
người dạng mô nên không bị ảnh hưởng bởi quá trình này.
Không như thuốc kháng sinh bị hấp thụ trong quá trình diệt khuẩn, nano bạc
hoạt động như một chất xúc tác mà không bị hấp thụ [28].
9
Một tính chất khác giúp nano bạc tăng cường hiệu quả trong cơ thể người là do
nó ở dạng các hạt nhỏ kim loại khác với ion bạc thường bị chuyển thành clorua bạc
trong bao tử hay trong mạch máu. Clorua bạc tan rất ít và kém hiệu quả hơn nhiều
so với bạc kim loại hay ion bạc. Chỉ có bạc kim loại mới có thể sống được với
HCl trong bao tử mà vẫn giữ được các hoạt tính trong các mạch máu và mô cơ thể.
Điều này có ý nghĩa vì theo Environmental Protecion Agency (EPA) - Cơ quan bảo
vệ môi trường của Mỹ : một người chỉ có thể dùng 350 cg/ liều dùng mỗi ngày, nếu
nhiều hơn sẽ bị trúng độc bạc. Nếu dùng 1 - 2 muỗng cà phê/ ngày (20ppm) tương
đương với 100 - 200 cg/ ngày (thấp hơn so với khuyến cáo của EPA về lượng bạc
cung cấp trong nguồn nước ở Mỹ), sẽ có hiệu quả phòng bệnh rất tốt. Điều này có
thể đảm bảo cho người dùng sử dụng bạc như một chất bổ sung trong bữa ăn cũng
như trong nước uống mà không bị ngộ độc [58].
Ngoài ra các nghiên cứu tại Odense Universitets Hospital cũng đã chứng minh
rằng các hạt nano bạc được hấp thụ vào cơ thể mà không hề gây ra một tác dụng
phụ nào, cũng như không gây độc cho cơ thể, các hạt nano bạc sẽ giải phóng ra khỏi
cơ thể theo thời gian.
2.1.5. Tính kháng vi sinh vật của nano bạc
a. Cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc
Nano bạc được nghiên cứu ứng dụng vào việc kháng vi sinh vật vì bạc là
kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ. Nano bạc không gây phản ứng phụ,
không gây độc cho con người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc bằng nồng độ
diệt khuẩn (khoảng nồng độ < 100ppm) [57].
Nano bạc làm biến chất vi sinh vật bằng cách phá vỡ các nối disulfit: các nối
disulfit trong vi sinh vật rất quan trọng vì nó đóng vai trò như một công tắc đóng,
mở thuận nghịch để tạo ra protein khi tế bào vi sinh vật gặp các phản ứng oxy hóa.
Đây là cấu trúc quan trọng của các enzyme trong vi sinh vật. Với tính chất xúc tác,
các hạt nano bạc vô hiệu hóa enzyme mà vi khuẩn, virus và nấm cần cho quá trình
chuyển hóa oxygen.
10
Nano bạc phá vỡ màng tế bào vi sinh vật bằng các phản ứng oxy hóa: nano
bạc giúp tạo ra oxy hoạt tính trong không khí hoặc từ nước. Những hoạt tính này có
khả năng phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi sinh vật.
Các cơ chế tiềm năng kháng nấm đã được đề xuất như chấm dứt hoạt động của
nhóm sulfhydryl của vách tế bào nấm, và hình thành trở đi của các hợp chất không
hòa tan theo sau sự đổ vỡ của các enzym màng bị ràng buộc và lipid cuối cùng dẫn
đến ly giải tế bào.
Các hạt nano bạc thể hiện tác động rất mạnh đối với vi sinh vật bởi nó bao lấy
trực tiếp tế bào của vi sinh vật, và phá vỡ cấu trúc tế bào, vô hiệu hóa sự phát triển
và sinh trưởng của chúng. Do ở kích thước nhỏ thì khả năng tác động và thâm nhập
của hạt nano bạc qua lớp màng của vi sinh vật là rất tốt. Vì thế, tác dụng diệt khuẩn
ở bên trong cơ thể vi sinh vật là rất hiệu quả. Đồng thời, ở kích thước nano thì diện
tích bề mặt của hạt nano là lớn hơn rất nhiều so với khối hạt của nó. Cho nên khả
năng tương tác với vi sinh vật thông qua việc tiếp xúc bề mặt tăng lên. Nên kích
thước của hạt nano bạc càng nhỏ thì càng tốt, vì kích thước càng nhỏ thì đặc tính
kháng vi sinh vật đã nêu trên là rất lớn [47].
Khi các hạt nano kim loại ở kích thước 5nm chúng sẽ có khả năng gây nên
hiệu ứng điện tử tức là sự biến đổi cấu trúc điện tử của bề mặt. Do đó, khả năng
hoạt động của bề mặt hạt nano được tăng cường mạnh mẽ. Kích thước hạt nano
giảm thì phần trăm tiếp xúc của các phân tử tăng lên [47].
Các hạt nano bạc thường có hình khối, số lượng các mặt hình khối cho thấy khả
năng tác dụng với vi sinh vật ở mức độ cao hay thấp. Số lượng mặt càng nhiều thì khả
năng kháng vi sinh vật càng cao. Đồng thời, trong quá trình sử dụng hạt nano bạc
thường ở trong dung dịch phân tán. Nơi mà một lượng nhỏ ion bạc đã được che dấu và
đóng góp một phần cho khả năng diệt vi sinh vật của phân tử nano bạc [47].
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng vi sinh vật của nano bạc
Kích thước, hình dạng hạt, nồng độ và sự phân bố là các yếu tố ảnh hưởng trực
tiếp đến tính kháng vi sinh vật của nano bạc
- Kích thước hạt nano
- Xem thêm -