Tài liệu Nghiên cứu và chế tạo nano bạc ứng dụng trong sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Trần Minh Hải NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO NANO BẠC ỨNG DỤNG TRONG SINH HỌC KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Đăng Khoa HÀ NỘI - 2011 Lời cảm ơn Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Trần Đăng Khoa đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu để thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị Hoài Hà, Viện Vi sinh vật và Công nghệ Sinh học, Đại học Quốc Gia Hà Nội, đã nhận xét, góp ý cho khóa luận của tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn KS. Phạm Thị Bích Đào, Viện Vi sinh vật và Công nghệ Sinh học, Đại học Quốc Gia Hà Nội. CN. Nguyễn Thị Hòa, Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện khóa luận này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tập thể các Thầy, Cô giáo và cán bộ của Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã cung cấp các kiến thức tiền đề để tôi hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận. Tóm tắt nội dung Trong những năm gần đây việc nghiên cứu hạt nano rất được quan tâm bởi những tính chất đặc biệt và lý thú của nó. Trong số các loại hạt nano được nghiên cứu, ứng dụng thì hạt nano bạc đã gây được sự chú ý đặc biệt bởi tính chất kháng khuẩn vượt trội. Trên thế giới nano bạc đã được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong rất nhiều các sản phẩm gần gũi với đời sống như: tẩm trên băng cứu thương, phủ lên các loại sợi vải, sử dụng để chống nhiễm khuẩn nước sinh hoạt, các đồ dùng cho trẻ em... Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu nano nói chung, nano bạc nói riêng vẫn còn khá mới mẻ và mới được tiến hành trong thời gian gần đây. Với mục đích nghiên cứu những tính chất lý thú của keo nano bạc, tôi đã thực hiện chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp hóa khử bọc PVP và PEG. Nghiên cứu, khảo sát tính chất của hạt nano bạc bằng UV-vis và FE-SEM, tiến hành thử nghiệm khả năng kháng khuẩn và tương tác của nano bạc chế tạo với nấm mốc và vi tảo. Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, với sự hướng dẫn của TS. Trần Đăng Khoa. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây. Những nội dung khóa luận có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của khóa luận. Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011 Sinh viên thực hiện khóa luận Trần Minh Hải Mục Lục Trang MỞ ĐẦU.................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU.......................................................................2 1.1. Khái quát về công nghệ nano............................................................................2 1.1.1. Lịch sử hình thành của công nghệ nano.........................................................2 1.1.2. Cơ sở khoa học...............................................................................................2 1.1.3. Các nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nước..........................................3 1.2. Khái quát về keo nano bạc.................................................................................4 1.2.1. Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc........................................................4 1.2.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano bạc...................................................5 1.2.3. Cơ chế ổn định hạt bạc của PVP và PEG.......................................................8 1.2.4. Ứng dụng của keo nano bạc.........................................................................10 1.3. Khái quát về vi khuẩn.......................................................................................12 1.3.1. Khái niệm chung về vi khuẩn.......................................................................12 1.3.2. Vi khuẩn E.coli.............................................................................................12 1.3.3. Vi khuẩn Staphylococcus..............................................................................13 1.3.4. Tính diệt khuẩn của keo nano bạc................................................................14 1.4. Khái quát về nấm mốc......................................................................................16 1.5. Khái quát về tảo.................................................................................................17 1.5.1. Khái niệm chung về tảo lục..........................................................................17 1.5.2. Vi tảo Chlorella.............................................................................................17 Chương 2. VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM..19 2.1. Vật liệu, trang thiết bị sử dụng........................................................................19 2.1.1. Các dụng cụ, thiết bị nghiên cứu..................................................................19 \ 2.1.2. Các hoá chất sử dụng....................................................................................20 2.1.3. Các đối tượng nghiên cứu.............................................................................20 2.2. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm....................................................20 2.2.1. Chế tạo keo nano bạc....................................................................................20 2.2.2. Phân tích bằng máy quang phổ hấp thụ UV-vis...........................................22 2.2.3. Phân tích hạt bằng FE-SEM.........................................................................22 2.2.4. Khảo sát hiệu quả kháng khuẩn của nano bạc.............................................22 2.2.5. Thử nghiệm sự tương tác giữa keo nano bạc với nấm mốc.........................23 2.2.6. Nuôi cấy vi tảo..............................................................................................23 2.2.7. Sự tương tác giữa keo nano bạc với tảo vi tảo.............................................26 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..............................................................27 3.1. Chế tạo keo nano bạc........................................................................................27 3.2. Phân tích hạt bằng tia UV-vis..........................................................................29 3.3. Phân tích hạt bằng FE-SEM............................................................................30 3.4. Khả năng kháng khuẩn của các dung dịch keo nano bạc..........................31 3.5. Sự tương tác giữa keo nano bạc với nấm mốc..............................................32 3.6. Lựa chọn môi trường nuôi cấy vi tảo.............................................................32 3.7. Sự tương tác giữa keo nano bạc với vi tảo....................................................35 3.7.1. Đường cong chuẩn hóa giữa mật độ quang với mật độ tảo.........................35 3.7.2. Khả năng tương tác của keo nano bạc với vi tảo trong dung dịch..............36 3.7.3. Khả năng tương tác của keo nano bạc với vi tảo khi tẩm lên màng xốp.....39 KẾT LUẬN...........................................................................................................41 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO..................................................................42 PHỤ LỤC..............................................................................................................43 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................47 Danh mục chữ viết tắt Da Đơn vị khối lượng Danton E.coli Vi khuẩn E.coli Escherichia Coli FE-SEM Kính hiển vi trường điện tử quét Field emission scanning electron microscopy PVP Polyvinyl pyrrolidon PEG polyethylene Glycol UV - vis Quang phổ hấp thụ trắc quang UV - vis MỞ ĐẦU Ultraviolet-visible spectroscopy Khoa học, công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng. Vật liệu được chế tạo bằng công nghệ này thể hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước. Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật. Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển. Ước tính tổng đầu tư cho lĩnh vực công nghệ nano trên toàn thế giới xấp xỉ 3 tỷ đôla và đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, y sinh, môi trường….[5,10]. Trong công nghệ nano thì hạt nano là một vật liệu quan trọng. Một trong những hạt nano được sử dụng sớm và rộng rãi nhất là hạt nano bạc. Ở kích thước nano bạc thể hiện những tính chất vật lý, hóa học, sinh học khác biệt và vô cùng quý giá, đặc biệt là tính kháng khuẩn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi ở kích thước nano, hoạt tính sát khuẩn của bạc tăng lên khoảng 50.000 lần so với bạc ion [15,9]. Nhờ khả năng kháng khuẩn tuyệt vời mà nano bạc đã được ứng dụng trong rất nhiều sản phẩm như: tẩm trên băng cứu thương, phủ lên các loại sợi vải, sử dụng để khử trùng nước, các đồ dùng cho trẻ em.... Trong những năm gần đây, việc gia tăng vi khuẩn siêu kháng thuốc kháng sinh, các loại nấm gây bệnh thiếu thuốc đặc trị thì việc nghiên cứu chế tạo sản phẩm chứa nano bạc để tiêu diệt chúng là hướng đi mới và cấp thiết [17]. Đó là lý do mà tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu và chế tạo nano bạc ứng dụng trong sinh học”. Các nội dung của đề tại như sau: + Chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp hóa khử, sử dụng NaBH 4 làm tác nhân khử, hạt được bọc bởi PVP và PEG. + Nghiên cứu, khảo sát tính chất của keo bạc nano chế tạo bằng phân tích quang phổ hấp thụ UV-vis, và chụp ảnh bằng FE-SEM. + Ứng dụng để nghiên cứu khả năng diệt khuẩn và khả năng tương tác với nấm mốc, vi tảo của keo bạc nano. Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1 1.1. Khái quát về công nghệ nano 1.1.1. Lịch sử hình thành của công nghệ nano Thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) xuất hiện từ những năm 70 của thế kỷ XX, chỉ 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 nanômét. Chúng có độ chính xác rất cao 0,1 - 100nm, tức là chính xác đến từng lớp nguyên tử, phân tử. 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 200nm. 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. Theo cơ quan Hàng Không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA), công nghệ nano là công nghệ chế tạo ra các cấu trúc, vật liệu, thiết bị và hệ thống chức năng với kích thước đo bằng (khoảng từ 1 đến 100nm) và khai thác ứng dụng các đặc tính độc đáo của những sản phẩm này. Công nghệ nano cũng có thể hiểu là ngành công nghệ dựa trên các hiểu biết về các quy luật, hiện tượng, tính chất của cấu trúc vật lý có kích thước đặc trưng ở thang nano [4]. Có thể nói, trong thời điểm hiện tại, tiềm năng phát triển của một công nghệ hay kỹ thuật mới rõ nhất qua nguồn ngân sách nghiên cứu hàng năm và doanh thu đem lại từ các sản phẩm thương mại của nó. Được toàn thế giới nghiên cứu và đầu tư phát triển, ngân sách đầu tư cho công nghệ nano của các tổ chức thuộc chính phủ đã tăng khoảng 7 lần từ 430 triệu năm 1997 lên 3 tỉ USD năm 2003 [12,23]. 1.1.2. Cơ sở khoa học Công nghệ nano dựa trên ba cơ sở khoa học 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 các thăng 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 như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử [25]. + 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 2 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 [8]. + Kích thước 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 (400 700 nm), 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 bạn 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 [24]. 1.1.3. Các nghiên cứu về hạt nano trong và ngoài nước  Tình hình nghiên cứu trong nước: Tại Việt Nam trong những năm gần đây công nghệ nano bắt đầu được đầu tư và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Tuy nhiên cho đến nay số lượng công trình nghiên cứu về kim loại nano được công bố trên tạp trí khoa học trong nước còn rất hạn chế. Đề tài nghiên cứu về vàng và platin nano để xúc tác chuyển hóa CO thành CO 2 được tác giả Nguyễn Thiết Dũng Viện khoa học Vật liệu ứng dụng – Viện khoa học và công nghệ Việt Nam thực hiện (2009 – 2010). Về bạc, nhóm tác giả Nguyễn Đức Nghĩa, Hoàng Mai Hà công bố trên Tạp chí hóa học (2001) đã chế tạo được hạt nano bạc bằng phương pháp khử các ion bạc sử dụng tác nhân oleate trong polyme ổn định, thu được các hạt bạc có kích thước từ 4 – 7nm. Các nhà khoa học Việt Nam cũng bắt đầu triển khai ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo thuốc hướng đích và kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong y - sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh. Bài báo “chế tạo và ứng dụng hạt nano từ tính trong y sinh học” của nhóm tác giả Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Hoài Hà, Trần Mậu Danh Bộ môn Vật liệu và Linh kiện từ tính nano, khoa Vật lý kỹ thuật và Công 3 nghệ nano, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và Trung tâm Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội báo cáo tại hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI (2005). Tuy nhiên, công nghệ nano vẫn là một điều gì đó mới lạ ở Việt Nam. Nói chung, công nghệ nano tại Việt Nam hiện chỉ mới đang đặt những viên gạch móng đầu tiên.  Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Phương pháp chế tạo hạt kim loại nano nói chung và chế tạo nano bạc nói riêng đã được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu. Phương pháp thường được sử dụng chủ yếu là: điện hóa, khử hóa học, khử nhiệt, sinh học, khử do bức xạ ion hóa… Nguyên tắc chung của các phương pháp này là khử ion kim loại trong dung dịch thành nguyên tử kim loại, sau đó các nguyên tử liên kết với nhau thành tập hợp rồi phát triển kích thước thành các hạt nano và sử dụng polyme để ổn định hạt. Hướng nghiên cứu ứng dụng chính của nano bạc tập trung vào khả năng kháng lại các loại vi khuẩn, virut, các ứng dụng trong các thiết bị y tế và trong các thiết bị diệt khuẩn, lọc nước.v.v 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” [7]. 1.2. Khái quát về keo nano bạc 1.2.1. Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc Từ thời Alexander Đại Đế (năm 356-323 trước công nguyên), con người đã biết sử dụng các dụng cụ bằng bạc để đựng thức ăn và đồ uống góp phần làm giảm nguy cơ gây độc. Qua thời gian những đặc tính quý giá của bạc đã được con người khai thác và sử dụng tạo ra nhiều sản phẩm hữu ích.  Tính chất vật lý: + Bạc là kim loại chuyển tiếp, màu trắng, sáng, dễ dàng dát mỏng, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao nhất và điện trở thấp nhất trong các kim loại. + Nhiệt độ nóng chảy là 961.930C [18].  Tính chất hóa học: 4 + Bạc có ký hiệu là Ag, số nguyên tử 47 thuộc phân nhóm IB trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, bạc có khối lượng phân tử là 107.868 (đơn vị C). + Cấu hình electron [Kr]4d105s1 , có số oxi hóa là +1 và +2, phổ biến nhất là trạng thái oxi hóa +1. + Trong tự nhiên, bạc tồn tại hai dạng đồng vị bền là Ag-107(52%) và Ag109(48%). Bạc không tan trong nước, môi trường kiềm nhưng có khả năng tan trong một số axit mạnh như axit nitric, sufuric đặc nóng .v.v. Ngày nay những thuộc tính quý của kim loại này được thể hiện tối đa khi chúng được chế tạo bằng công nghệ nano. Và trên thị trường cũng đã xuất hiện nhiều sản phẩm chứa nano bạc như băng gạc y tế, nước tẩy trùng bề mặt, hay hiện diện ngay trong gia đình bạn như tủ lạnh, máy gặt .v.v. 1.2.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano bạc Có 2 phương pháp để điều chế hạt nano kim loại bạc: phương pháp từ dưới lên và phương pháp từ trên xuống. Phương pháp từ dưới lên “bottom-up” là phương pháp tạo hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion kết hợp lại với nhau. Phương pháp từ trên xuống “top-down” là phương pháp tạo các hạt nano từ vật liệu khối ban đầu. Đối với hạt nano bạc, người ta thường điều chế bằng phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử ion Ag+ thành Ag. Các ion này sau đó liên kết với nhau tạo thành hạt nano và các hạt nano này sẽ được bọc bởi các chất ổn định như PVP, PVE, chitosan.v.v. Các phương pháp từ trên xuống ít được sử dụng vì nano bạc chế tạo bằng phương pháp này thường có kích thước hạt lớn và không đồng đều. Hiện nay các vật liệu kim loại nano như vàng (Au), Sắt (Fe), đồng (Cu), bạc (Ag) dưới dạng bột hay dung dịch keo được chế tạo chủ yếu bằng các phương pháp sau:  Phương pháp bay hơi vật lý Bay hơi vật lý là phương pháp từ trên xuống, đó là một công cụ góp phần cho sự phát triển của công nghệ nano. Bay hơi vật lý bao gồm kỹ thuật ngưng tụ khí trơ, đồng ngưng tụ và ngưng tụ dòng hơi phun trên bia bắn. + Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ: cho hóa hơi sợi dây bạc tinh khiết ở nhiệt độ cao trong điều kiện chân không, sau đó dòng hơi bạc nguyên tử quá bão hòa được ngưng tụ và phát triển thành hạt bạc khi tiếp xúc với khí heli và được làm lạnh bởi nitơ lỏng. 5 + Kỹ thuật đồng ngưng tụ: tương tự như ngưng tụ khí trơ nhưng quá trình hình thành và phát triển hạt xảy ra trên lớp bằng dung môi thích hợp. Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ và đồng ngưng tụ được thực hiện ở nhiệt độ cao (>2.0000C), sản phẩm tạo ra có độ tinh khiết cao, kích thước hạt nano bạc trung bình 75nm(phương pháp ngưng tụ khí trơ), 12nm (phương pháp đồng ngưng tụ) [9].  Phương pháp ăn mòn laze Đây là phương pháp từ trên xuống. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm laser dạng xung có buớc sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10Hz, năng lượng mỗi xung là 90mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1nm - 3nm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na (với n = 8, 10, 12, 14) nồng độ từ 0,001 đến 0,1 M [16].  Phương pháp khử hóa học Khử hóa học là một phương pháp được sử dụng phổ biến để chế tạo nano bạc theo phương thức từ dưới lên. + Cơ chế của quá trình khử hóa học: Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion bạc thành bạc kim loại. Thông thường, phản ứng được thực hiện trong dung dịch lỏng nên còn gọi là phản ứng hóa ướt. Ag+ + e- → Ag0 Thông thường, nguồn cung cấp ion Ag + là các muối của bạc như AgNO 3. Các tác nhân khử thường dùng là: natri bohydrua, focmandehyt, xitrat, etylen glyxerol, NaBH4, ethanol,…. Gần đây có một số công trình nghiên cứu chế tạo keo nano bạc và bột nano bạc từ bạc nitrat nhưng sản phẩm trung gian là oxit bạc (Ag 2O) rồi từ Ag2O tiếp tục khử về Ag0 nhằm thu được keo bạc có nồng độ cao. Để các hạt nano bạc phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám, người ta bao phủ hạt nano bạc bằng một lớp polyme, điều này giúp cho các hạt được bảo vệ tốt hơn tránh hiện tượng kết tủa, hơn nữa phương pháp này có thể làm cho bề mặt hạt nano có tính chất cần thiết. 6 + Các tác nhân khử: Tác nhân khử Sodium citrate “C6H5O7Na3” Trong quá trình khử, bề mặt của hạt nano bạc hấp thụ các ion Ag + tạo ra lớp ion dương trên bề mặt. Tiếp đó các ion âm citrate có nghiệm vụ bám xung quanh các hạt nano bằng lực hút tĩnh điện ngăn không cho chúng kết hợp lại với nhau. Nhờ vậy mà bề mặt của hạt nano bạc có một lớp keo citrate giúp chúng lơ lửng và phân tán đều trong dung dịch. Citrate trong quá trình vừa đóng vai trò làm tác nhân khử ion Ag + để tạo thành hạt nano bạc, vừa đóng vai trò làm chất ổn định cho hạt nano bạc. Tác nhân khử NaBH4 khác với phương pháp sử dụng Sodium citrate, ở phương pháp này sau khi kết thúc phản ứng khử, người ta sử dụng các polyme như PVP, PVA, PEG, Chitosan…, làm tác nhân ổn định. Các polyme này bao bọc hạt nano bạc, ngăn chúng kết tụ với nhau, vì vậy mà hạt nano được bảo vệ tốt và tránh kết tủa.  Phương pháp hóa siêu âm Phương pháp hóa siêu âm là các phản ứng hóa học được hỗ trợ bởi sóng siêu âm cũng được dùng để tạo hạt nano. Hóa siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó các phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của sóng siêu âm như một dạng xúc tác. Sóng siêu âm là sóng dọc, là quá trình truyền sự co lại và giãn nở của chất lỏng. Tần số thường sử dụng trong các máy siêu âm là 20 kHz cao hơn ngưỡng nhận biết của tai người (từ vài Hz đến 16 kHz). Khi sóng siêu âm đi qua một chất lỏng, sự giãn nở do siêu âm gây ra áp suất âm trong chất lỏng kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau. Nếu cường độ siêu âm đủ mạnh thì sự giãn nở này sẽ tạo ra những lỗ hổng trong chất lỏng. Sự phát triển của các lỗ hổng phụ thuộc vào cường độ siêu âm. Khi cường độ siêu âm cao, các lỗ hổng nhỏ có thể phát triển rất nhanh. Sự giãn nở của các lỗ hổng đủ nhanh trong nửa đầu chu kì của một chu kì sóng siêu âm, nên đến nửa sau chu kì thì nó không có đủ thời gian để co lại nữa. Dưới các điều kiện này, kích thước của một lỗ hổng sẽ dao động theo các chu kì giãn nở và co lại. Trong khi dao động như thế lượng khí hoặc hơi khuyếch tán vào hoặc ra khỏi lỗ hổng phụ thuộc vào diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt sẽ lớn hơn trong quá trình giãn nở và nhỏ hơn trong quá trình co lại. Do đó, sự phát triển của lỗ hổng trong quá trình giãn nở sẽ lớn hơn trong quá trình co lại. Sau nhiều chu kì siêu âm, lỗ hổng sẽ phát triển. Lỗ hổng có thể phát triển đến một kích thước tới hạn mà tại kích thước đó lỗ hổng có thể hấp thụ hiệu quả năng lượng của sóng siêu âm. Kích thước này gọi là kích thước cộng hưởng, nó phụ thuộc vào tần số của sóng âm. Ví dụ, với tần số 20 kHz, kích thước này khoảng 170 mm. Lúc này, lỗ hổng có thể phát triển rất nhanh trong một chu kì duy nhất của sóng siêu 7 âm. Một khi lỗ hổng đã phát triển quá mức, ngay cả trong trường hợp cường độ siêu âm thấp hay cao, nó sẽ không thể hấp thụ năng lượng siêu âm một cách có hiệu quả được nữa. Và khi không có năng lượng tiếp ứng, lỗ hổng không thể tồn tại lâu được. Chất lỏng ở xung quanh sẽ đổ vào và lỗ hổng bị suy sụp. Sự suy sụp của lỗ hổng tạo ra một môi trường đặc biệt cho các phản ứng hoá học - các điểm nóng (hot spot). Hóa siêu âm được ứng dụng để chế tạo rất nhiều loại vật liệu nano như vật liệu nano xốp, nano dạng lỏng, hạt nano, ống nano. 1.2.3. Cơ chế ổn định hạt bạc của PVP và PEG  Cơ chế ổn định hạt bạc của PVP Hình 1. 1. Công thức cấu tạo PVP PVP được tổng hợp từ phản ứng trùng hợp các vinyl pyrolidon, là các polyme ưa nước và hòa tan trong nước, không độc, được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực y tế [20]. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, các hạt bạc hấp thụ mạnh lên bề mặt của PVP, chuỗi polyvinyl pyrolidon tạo ra hiệu ứng không gian, ngăn cản sự kết hợp giữa các hạt [20]. Cơ chế ổn định hạt bạc của PVP gồm các giai đoạn: + Đầu tiên, PVP chuyển một cặp electron từ nguyên tử oxi và nitơ trên mạch sang các orbital s và p các ion bạc tạo nên kiên kết phối trí với ion bạc. + PVP thúc đẩy sự hình thành nhân của kim loại bạc do phức ion Ag + PVP dễ bị khử hơn so với ion Ag + tự do trong dung dịch vì ion Ag + nhận điện tử từ PVP. + Chuỗi PVP ngăn cản sự kết tụ của các hạt bạc do hiệu ứng không gian. 8 Hình 1.2. Cơ chế ổn định hạt nano bạc của PVP [20]  Cơ chế ổn định hạt bạc của PEG PEG có công thức phân tử là (C4H10O3)m, là một polymer trơ, hòa tan trong nước, không gây độc, được tạo ra bằng cách kết nối nhiều tiểu đơn vị ethylene oxide. PEG hòa tan trong nước, methanol, benzen, diclorometan và không hòa tan trong ete diethyl và hexane. Nó cùng với các phân tử kỵ nước dùng để sản xuất bề mặt không ion. Các phân tử PEG hiện có khác nhau về hình thể (ở dạng thẳng hoặc phân nhánh) và trọng lượng phân tử. PEG có trọng lượng khác nhau sẽ khác nhau về đặc tính sinh lý. Thí dụ như PEG ở dạng tinh khiết, không kết hợp, nhỏ là dạng đầu (như PEG 200 Da), trong khi PEG lớn hơn (như PEG 8000 Da) có dạng rắn như sáp [24]. Hình 1.3. Công thức cấu tạo PEG PEG có nhiều ứng dụng hữu ích trong y sinh do PEG có nhiều đặc tính cốt lõi liên quan đến những lợi ích đối với các protein sử dụng trong điều trị và còn rất nhiều ứng dụng khác trong các lĩnh vực khác nhau. PEG được sử dụng như một chất khử cho việc chuẩn bị các hạt kim loại ở nhiệt độ cao (>170 0C) và không hoạt động để giảm lượng Ag+ ở 800C. Đáng ngạc nhiên hơn, Ag +có thể được giảm xuống đều đặn để tạo hạt nano bạc tại cùng một điều kiện trong PEG 2000 Da. Nghiên cứu sâu hơn đã chứng minh rằng tỷ lệ giảm của Ag+ để tạo thành hạt nano bạc được tăng cường đáng kể với sự gia tăng chiều dài chuỗi polymer của PEG. Kích cỡ hạt nano phụ thuộc vào 9 nhiệt độ phản ứng và nồng độ của tiền chất và sự gia tăng nhiệt độ ảnh hưởng đến sự thay đổi của phạm vi kích thước hạt từ 10-80nm. 1.2.4. Ứng dụng của keo nano bạc  Trong dân dụng Việc sản xuất các mặt hàng tiêu dùng bằng kim loại bạc nguyên chất hoặc phủ chúng bằng bạc là rất đắt. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, pha các nguyên liệu khác với hạt nano bạc là một phương pháp thích hợp để khai thác tính chất của bạc. Các hạt nano siêu nhỏ làm cho các hạt có diện tích bề mặt lớn cân đối với khối lượng của chúng. Trường hợp bạc ở dạng hạt nano, cho phép chúng tương tác dễ dàng với các hạt khác và tăng hiệu quả kháng khuẩn. Hiệu quả này lớn tới mức 1 gam hạt nano bạc có thể tạo tính chất kháng khuẩn tới hàng trăm mét vuông chất nền. Hình 1.4. Bình sữa nano silver Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất nhiều sản phẩm tiêu dùng có chứa nano bạc như hộp đồ đựng thức ăn, bình sữa trẻ em làm bằng nhựa có pha thêm nano bạc, hay các thiết bị gia đình như mấy giặt, tủ lạnh.v.v. đếu sử dụng nano bạc để diệt khuẩn.  Ứng dụng trong y tế Trong lĩnh vực y tế nano bạc được sử dụng để tẩm vào các loại băng, gạc băng bó vết thương nhằm tránh nhiễm trùng. Hay như việc chế tạo khẩu trang có tẩm nano bạc dùng để diệt vi khuẩn, bảo vệ con người. 10 Hình 1.5. Khẩu trang nano bạc  Ứng dụng trong công nghiệp Sơn kháng khuẩn: Bột nano bạc được trộn với sơn và phủ lên các phím điện thoại di động, tường nhà và các bề mặt cần được bảo vệ. Với khả năng kháng khuẩn tuyệt vời nano bạc sẽ giữ cho bề mặt không bị nhiễm khuẩn cũng như tiêu diệt nấm mốc làm tăng tính thẩm mỹ và tuổi thọ công trình. Hình 1.6. Sơn nano Thiết bị điện tử: Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu ứng dụng nano bạc để sản xuất linh kiện điện tử phục vụ nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Các thiết bị điện tử ứng dụng công nghệ nano sẽ có kích thước nhỏ gọn hơn nhưng lại có tốc độ xử lý và tuổi thọ cao hơn các thiết bị sử dụng các công nghệ truyền thống 1.3. Khái quát về vi khuẩn 1.3.1. Khái niệm chung về vi khuẩn Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, có cấu trúc tế bào đơn giản không có nhân (Prokaryote – sinh vật nhân sơ). Vi khuẩn hiện diện ở khắp mọi nơi trong đất, nước, 11 không khí, kể cả những nơi có điều kiện sống khắc nghiệt như trên miệng núi lửa hay trên băng tuyết.v.v. Có rất nhiều chủng vi khuẩn, và mỗi chủng vi khuẩn đều có sự khác nhau về đặc tính và hình thái. Vi khuẩn có nhiều hình dáng: vi khuẩn có nhiều hình dáng khác nhau và được gọi với tên gọi theo hình dạng của chúng như trực khuẩn (bacillus), hình cầu, xoắn khuẩn (spirillum), hình que, cầu khuẩn (coccus)… hình dáng vi khuẩn là một đặc điểm quan trọng để nhận dạng các chi được đặt tên theo hình dạng. Vi khuẩn có ích hoặc có hại cho môi trường, thực vật và động vật bao gồm cả con người. Một só tác nhân gây bệnh như bệnh uốn ván (tetanus), sốt thương hàn (typhoid fover), giang mai (syphilis), tả (cholera), lao (tuberculosis)… 1.3.2. Vi khuẩn E.coli  Phân loại khoa học: Ngành: Proteobacteria Lớp: Gamma Proteobacteria Bộ : Enterobacteriales Họ : Enterobacteriaceae Chi : Escherichia Loài: E. coli Hình 1.7. Vi khuẩn E.coli [25] 12  Đặc điểm: E.coli hay còn gọi là vi khuẩn đại tràng, là một trong những loài vi khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của người và động vật máu nóng. Chúng được phát hiện đầu tiên vào năm 1885 do Escherich phát hiện, thuộc họ vi khuẩn Enterobacteriaceae. Chúng là các trực khuẩn Gram âm. Kích thước trung bình (2-3µm) x 0.5 µm. Trong những điều kiện không thích hợp vi khuẩn có thể dài như sợi chỉ. 1.3.3. Vi khuẩn Staphylococcus  Phân loại khoa học: Giới: Bacteria Ngành: Firmicutes Lớp: Bacilli Bộ: Bacillales Họ: Staphylococcaceae Chi: Staphylococcus Hình 1.8. Vi khuẩn Staphylococcus [11]  Đặc điểm: Staphylococcus hay tụ cầu khuẩn là những vi khuẩn hình cầu, có đường kính từ 0.8 – 1.0 µm, và thường tập trung thành từng chùm như những chùm nho, bắt màu Gram dương [3]. Tụ cầu khuẩn có ba loại có ý nghĩa với y học là tụ cầu vàng (S.aureus), tụ cầu da (S. epidermidis) và S. saprophyticus. Hai trong ba loại này có thể 13