BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM LONG QUANG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO BẠC VÀ KHẢO
SÁT KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

CHUYÊN NGÀNH: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ
MÃ SỐ: 60.44.0119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS. TS. TRẦN THÁI HÒA

Huế, 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả luận văn

Phạm Long Quang


LỜI CẢM ƠN
Những lời đầu tiên trong luận văn này, tôi xin được bày tỏ
lòng biết ơn chân thành đến GS. TS. Trần Thái Hòa đã tận tình


Adenosine triphosphate

CTS

Chitosan

CMC

Carboxymethyl cellulose

DDA

Độ deacetyl (Degree of Deacetylation)

DNA

Deoxyribo Nucleic Acid

E. coli

Escheria coli

FT-IR

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ( Fourier Transfer - Infrared
Spectroscopy)

NB


Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

bảng
1.1

Các thông số lý hóa của bạc

4

3.1

Khả năng kháng khuẩn của nano bạc trong CTS

38


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình vẽ
Trang
hình vẽ

Các ảnh TEM và giãn đồ phân bố kích thước hạt của nano bạc
23
3.2

sử dụng NB làm chất khử và NC làm chất ổn định khi thay đổi

3.3

nồng độ Ag+: (A) 1 %; (B) 0,1 %; (C) 0,05 %; (D) 0,025 %.
Mô hình minh họa sự phát triển hạt mầm của nano bạc sử dụng

23


3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19

Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 105 oC theo

28

thời gian
Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 120 oC theo

29

thời gian
Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 135 oC theo

29

thời gian
Phổ UV-Vis của nano bạc sử dụng CTS ở nhiệt độ 150 oC trong

30

6 giờ
Các ảnh TEM và giãn đồ phân bố kích thước hạt của nano khi

31

thay đổi nồng độ CTS: (E) 1 %; (F) 0,1 %; (G) 0,003 %
Các ảnh TEM của nano bạc trong CTS khi thay đổi nồng độ

32

Ag+ : (H) 4 %; (I) 1 %; (K) 0,2 %



3.24
3.25

khuẩn E. coli và Sta. aureus
Cơ chế phá hủy màng tế bào vi sinh vật của ion Ag+
Tương tác giữa các ion Ag+ với các nhóm thiol

40
41


9
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Bạc từ lâu đã được biết tới là một chất diệt khuẩn hiệu quả và được sử dụng
để làm các dụng cụ sinh hoạt. Từ khi công nghệ nano ra đời thì ứng dụng của bạc
mới phát triển lên một tầm cao mới. Sở dĩ nano bạc được nghiên cứu ứng dụng vào
việc kháng khuẩn vì bạc là kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ. Nano
bạc không gây độc cho người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc bằng nồng độ
diệt khuẩn (khoảng nồng độ < 100 ppm). Ở dạng phân tán với kích thước nanomet
thì khả năng diệt khuẩn của bạc được tăng lên gấp bội nhờ diện tích bề mặt riêng
(m2/g) tăng nhanh. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi ở kích thước nano (từ 1-100 nm),
hoạt tính sát khuẩn của bạc tăng lên khoảng 50000 lần so với bạc dạng khối, như
vậy 1 g bạc nano có thể sát khuẩn cho hàng trăm m 2 chất nền. Điều này sẽ giúp cho
khối lượng bạc sử dụng trong các sản phẩm sẽ giảm rất mạnh nên tỷ trọng của bạc
trong giá thành trở nên không đáng kể. Tuy nhiên cho tới nay, cơ chế kháng vi sinh
vật của nano bạc vẫn chưa được hiểu biết rõ ràng. Bằng các kỹ thuật chụp ảnh kính
hiển vi điện tử có độ phóng đại cao (TEM, SEM…), kết quả nghiên cứu cho thấy,

+ Khảo sát ở nhiệt độ cao khi sử dụng CTS.
Trong nghiên cứu này chúng tôi chủ yếu tập trung vào CTS.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng một số phương pháp đặc trưng hóa lý để xác định hình thái, kích
thước và cấu trúc vật liệu bằng phương pháp đo TEM, XRD, UV–Vis, FT-IR.
- Sử dụng phương pháp khuếch tán trên thạch đĩa để khảo sát khả năng
kháng khuẩn của nano bạc trong CTS.
- Phương pháp xử lý số liệu sử dụng phần mềm Excel 2007, OriginPro 8.0,
ImageJ.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: cung cấp thông tin về các mẫu nano bạc tổng hợp sử dụng
NB, NC và CTS ở điều kiện nhiệt độ cao.
- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài này mở ra một hướng mới cho việc chế tạo các hạt
nano bạc bằng dung môi “xanh” (CTS) thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó, sản
phẩm của đề tài có khả năng ứng dụng và an toàn cao.


11
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn chia thành các chương sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Chương 4. Kết luận và kiến nghị


12
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về khoa học nano và công nghệ nano
Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp

0,288 nm
0,23 nm


13
Trọng lượng riêng
Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ sôi
Các trạng thái oxi hóa

10,49 g/cm3
960,5 0C
2152 0C
Ag+, Ag2+, Ag3+ (không ổn định)

Bạc ở kích thước nm tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc, tùy thuộc vào các điều
kiện hình thành cấu trúc bạc nano như: nguyên liệu ban đầu, các chất khử để khử
các ion Ag+, các chất ổn định, các hạt kim loại thêm vào và thời gian thực hiện phản
ứng [38].
Hình 1.1 là các dạng cấu trúc của bạc nano:
- Thanh nano, dây nano (nanorod, nanowire) (hình 1.1. a).
- Tấm nano, đĩa nano (nanosheet, nanoplate) (hình 1.1. b).
- Hạt nano hình cầu, tinh thể nano lập phương (spherical nanoparticle, cubic
nanocrystal) (hình 1.1. c).

Hình 1.1. Các dạng cấu trúc của bạc nano
1.2.2. Tính chất dao động cộng hưởng plasmon bề mặt
Đặc điểm chung của các kim loại quý là sự hiện hữu dày đặc của các điện tử
tự do. Đây chính là nguyên nhân gây nên hiện tượng bóng loáng bề mặt, tính chất
truyền điện và truyền nhiệt ưu việt của kim loại. Khi kích thước của hạt kim loại


15
thước lớn để tạo ra các vật liệu có kích thước nm và phương pháp từ dưới lên (bottom up): đây là phương pháp khá phổ biến hiện nay để chế tạo hạt nano kim loại. Nguyên
lý phương pháp này dựa trên việc hình thành các hạt nano kim loại từ các nguyên tử
hay ion, các nguyên tử hay ion khi được xử lý bởi các tác nhân như vật lý, hóa học sẽ
kết hợp với nhau tạo các hạt kim loại có kích thước nm [8].
Trong phần này, chúng tôi chỉ trình bày một số phương pháp chế tạo bạc
nano điển hình đã được biết khá rộng rãi trên thế giới.
1.2.3.1. Phương pháp ăn mòn laser
Đây là phương pháp từ trên xuống. Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt
trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm laser xung có
bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90
mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. 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 với nồng độ từ 0,001
đến 0,1 M [22].
1.2.3.2. Phương pháp vi sóng
Vi sóng (microwave) là một kỹ thuật cấp nhiệt bằng việc tạo dao động phân
tử ở tốc độ rất cao, khả năng cấp nhiệt nhanh và đồng nhất, giống như quá trình
thủy nhiệt ở nhiệt độ cao. Dung dịch ban đầu là dung dịch AgNO 3, tác nhân khử là
các dung môi hữu cơ, chất ổn định là PVP hoặc PVA. Dưới tác dụng của vi sóng thì
các hạt nano, dây nano, tấm nano... được hình thành [37].
1.2.3.3. Phương pháp khử vật lý
Phương pháp khử vật lý dùng các tác nhân vật lý như sóng điện từ năng
lượng cao như tia gamma [26], [33], tia tử ngoại [13], tia laser [5] khử ion kim loại
thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý, có nhiều quá trình biến đổi
của dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng
khử ion thành kim loại. Ví dụ, người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500
nm, độ dài xung 6ns, tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ [5] chiếu vào dung dịch có
chứa AgNO3 như là nguồn ion kim loại và Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) như là

khống chế các điều kiện phản ứng để thu được kích thước hạt theo mong muốn


17
đồng thời có thể tổng hợp với lượng lớn. Vì vậy phương pháp khử hóa học với
những ưu điểm nổi bật sẽ là sự lựa chọn tối ưu để tổng hợp các loại vật liệu này.
1.2.4. Ứng dụng của nano bạc [14]
Với sự phát triển của công nghệ nano, bạc nano là một đối tượng nhận được
nhiều chú ý của các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp. Vì bạc nano không
những mang lại những đặc tính đáng quý của vật liệu nano mà còn có những tính
chất riêng khác biệt ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
1.2.4.1. Ứng dụng của nano bạc đối với sức khoẻ và y học
Do con người luôn phải chịu sự tấn công của các loại vi khuẩn độc hại có
trong môi trường, chính vì vậy mà khoa học luôn phải tìm kiếm, tổng hợp nên các
vật liệu có khả năng diệt trừ vi khuẩn.
Dù không quá lâu khi thế giới phát hiện ra công nghệ nano bạc có những tính
năng tuyệt vời với khả năng bảo vệ sức khoẻ con người, nhưng chỉ hơn một năm trở
lại đây Việt Nam mới xuất hiện dòng sản phẩm ứng dụng công nghệ được coi là
cuộc cách mạng của thế kỉ XXI này.
Công nghệ nano bạc được biết phù hợp với điều kiện khí hậu, môi trường và
văn hoá tiêu dùng của nước ta. Với những ưu thế vượt trội, công nghệ nano - công
nghệ siêu nhỏ đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong lĩnh vực sử dụng sản
phẩm thiết yếu phục vụ đời sống con người và được coi là tiêu chí cạnh tranh hàng
đầu giữa các nhà sản xuất trên thị trường.
Với diện tích bề mặt lớn, chỉ cần dùng một lượng nhỏ nano bạc mà tác dụng
diệt khuẩn đã tăng lên rất nhiều. Bởi vậy mà rất nhiều vật dụng được tráng một lớp
nano bạc để diệt khuẩn như máy điều hoà nhiệt độ, tủ lạnh, bình lọc nước,… nhằm
kháng khuẩn và tiêu độc. Bên cạnh đó không thể không nhắc tới một nhãn hiệu
được tin dùng trong suốt thời gian qua đó là bình sữa tiệt khuẩn và các dụng cụ
đựng thức ăn cho trẻ nhỏ của Mummy Bear. Loại bình sữa tráng nano bạc này đang

nhanh tiến bộ xã hội.


19
1.3. Giới thiệu về chitosan (CTS)
CTS là một polysaccharide mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích Dglucosamine liên kết tại vị trí β-(1-4) là sản phẩm deacetyl hóa của chitin. CTS là
dẫn xuất deacetyl hóa của chitin trong đó nhóm (-NH 2) thay thế nhóm (-NHCOCH3)
ở vị trí C số 2. [30], [46].

Hình 1.3. Công thức cấu tạo của chitin và CTS
Tên gọi: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose hay poly(1-4)-2-amino-2deoxy-β-D-glucopyranose. Các tên gọi khác: Polyglusam; Deacetylchitin; Poly-(D)
glucosamine.
Công thức phân tử: [C6H11O4N]n; Phân tử lượng: MCTS = (161,07)n
Trong phân tử CTS có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH 3 trong các mắt
xích N-acetyl-D-glucozamin và nhóm -OH, nhóm -NH 2 trong các mắt xích Dglucozamine có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amin, vừa là amit. Phản ứng hoá
học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-, hoặc
dẫn xuất thế O-, N-. Mặt khác CTS là những polyme mà các monome được nối với
nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glycozit; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các tác
nhân như: axit, chất oxi hóa và các enzim thuỷ phân [45].
1.3.1. Tính chất vật lý của CTS
CTS là chất rắn màu vàng nhạt, tồn tại dạng bột hoặc dạng vảy, không mùi
không vị, có cấu trúc phân tử bền vững, là một base nên dễ dàng tác dụng với các


20
dung dịch acid để tạo thành muối hình thành chất điện ly cao phân tử, mà tính tan
của các phân tử này hình thành phụ thuộc vào bản chất của các ion có trong nó [47].
1.3.2. Độ deacetyl hóa
Quá trình deacetyl hóa bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tử
chitin và hình thành phân tử CTS với nhóm amin hoạt động hóa học cao. Độ

dược chất quý dùng để chữa khớp. Chúng thường được dùng làm các tác nhân hạ
cholesterol, vật liệu vá vết thương, vật liệu chữa bỏng, vật liệu y sinh học và dược
phẩm, chất chống đông máu, chống ung thư và làm kính áp tròng.
- Trong công nghiệp: CTS được dùng trong nhiếp ảnh, trong ngành giấy và
trong xử lý dệt nhuộm và in.
- Trong nông nghiệp: CTS được dùng làm phân bón kích thích sinh trưởng
cây trồng, bảo quản rau quả, hạt giống mang lại hiệu quả cao, dùng như một thành
phần chính trong thuốc trừ nấm bệnh (đạo ôn, khô vằn…), làm thuốc kích thích sinh
trưởng cây trồng cho lúa, cây công nghiệp, cây trồng, cây ăn quả.
- Trong công nghệ thực phẩm: Dùng làm sản phẩm bảo quản hoa quả tươi và
thực phẩm chức năng cho con người.
- Trong mỹ phẩm: Dùng làm sản phẩm chăm sóc da, chăm sóc tóc.
- Trong xử lý môi trường: Dùng đề xử lý kim loại nặng trong nước thải, xử
lý nước thải dệt nhuộm (trừ nước thải chứa thuốc nhuộm base).


22
Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
2.1.1. Tổng hợp nano bạc sử dụng NB làm chất khử và NC làm chất ổn định
Chúng tôi tổng hợp nano bạc sử dụng dựa trên quy trình của Yu Wan và
cộng sự [40]. Quy trình điều chế nano bạc được trình bày trên hình 2.1.
20 mL NC 1 % + 75 mL H2O cất 2 lần
1. Khuấy từ mạnh, nhiệt độ 70 oC trong 15 phút.
2. Thêm 1,7 mL Ag+ 1 %.
3. Thêm nhanh 2mL NaBH4 0.2 %, khuấy trong 1 giờ.

Dung dịch nano bạc

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp nano bạc sử dụng NB làm chất khử và NC làm

khảo sát.
- Dung dịch Ag+ được chuẩn bị tương tự như mục 2.1.1 tuy nhiên nồng độ
dung dịch gốc là 4 %.


24
2.1.3. Khảo sát khả năng kháng khuẩn của nano bạc trong CTS .
Khả năng kháng khuẩn của nano bạc được thử trên hai loại vi khuẩn E. coli
(vi khuẩn gram âm) ATCC 25922 và vi khuẩn Sta. aureus (vi khuẩn gram dương)
ATCC 25923 do khoa Sinh - Trường Đại học Khoa học cung cấp.
Chúng tôi sử dụng phương pháp khuếch tán trên thạch đĩa [15]. Tiến hành
nuôi cấy vi sinh vật kiểm định trên môi trường thạch đĩa có thành phần: 6 g peptone
+ 4 g cao thịt + 20 g agar + 1000 mL H 2O cất 1 lần, pH khoảng từ 6 - 7 được nấu
đến khi dung dịch đồng nhất. Dung dịch làm môi trường được chia vào các bình
tam giác vô trùng (100 mL hoặc 250 mL tùy số đĩa Petri nuôi vi sinh vật kiểm
định). Sau đó hấp khử trùng trong 15 phút ở 1 atm. Để nguội khoảng 40 - 50 oC, cấy
một loại vi sinh vật bằng que vào một bình (một vòng que cấy trong 75 mL môi
trường), lắc đều rồi rót ra đĩa Petri (75 mL cho 1 đĩa). Chờ khoảng 2 giờ cho dung
dịch đông lại, dùng khoan nút chai để đục một lỗ chính giữa đĩa (đường kính 1,2
cm) rồi nhỏ mẫu cần khảo sát vào lỗ. Cho các đĩa vào tủ lạnh ở 4 oC trong 15 - 18
giờ để kháng sinh đủ khuếch tán ra xung quanh trước khi vi sinh vật kiểm định phát
triển, sau đó cho vào tủ ấm (30 oC) trong 24 giờ và quan sát nếu có vòng vô khuẩn
thì chứng tỏ mẫu tổng hợp được có khả năng kháng khuẩn.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis) [2], [4]
Phổ UV-Vis là loại phổ electron, ứng với mỗi electron chuyển mức năng
lượng ta thu được một vân phổ rộng, là một phương pháp định lượng xác định nồng
độ của các chất thông qua độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch.
Nguyên tắc: Cho chùm ánh sáng có độ dài bước sóng xác định trong vùng
khả kiến (Vis) hay trong vùng tử ngoại gần (UV) đi qua vật thể hấp thụ (thường ở

V-630 tại khoa Hóa, trường Đại học Khoa học Huế. Trong luận văn này, chúng tôi
tiến hành đo UV-Vis tất cả các mẫu tổng hợp được mà không pha loãng và mỗi mẫu
đo độ lặp lại ít nhất là hai lần.
2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [2], [3], [4]
Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn,
sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử
dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần),
ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên màng quang học, hay ghi nhận
bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Phương pháp TEM cho bức ảnh chân thực về kích thước hạt của vật liệu.
Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nano nhiễu xạ, kính hiển vi điện tử
truyền qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các nguyên tử
trong mẫu, theo dõi được cách sắp xếp đó trong chi tiết từng hạt, từng diện tích cỡ