ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hà Duy Hiền
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
PLASMON CỦA CÁC HẠT NANO BẠC NHẰM
ỨNG DỤNG TRONG DIỆT KHUẨN ESCHERICHIA COLI

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Thái Nguyên - 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hà Duy Hiền
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
PLASMON CỦA CÁC HẠT NANO BẠC NHẰM
ỨNG DỤNG TRONG DIỆT KHUẨN ESCHERICHIA COLI
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8840110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa

Thái Nguyên - 2018


LỜI CẢM ƠN

1.2.2. Phương pháp quang .................................................................................... 10
1.3. Tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc ............................................................ 15
1.3.1. Cơ chế kháng khuẩn của hạt keo nano bạc ................................................. 15
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn của keo nano bạc .............. 17
1.3.3. Ảnh hưởng của hạt keo nano bạc đến sức khỏe con người ........................ 18
1.4. Ứng dụng của hạt keo nano bạc ......................................................................... 18
1.5. Khái quát về vi khuẩn ........................................................................................ 20
1.5.1. Khái niệm chung về vi khuẩn ..................................................................... 21
1.5.2. Vi khuẩn Gram âm “Escherichia coli” ....................................................... 21
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC ..................................... 22
2.1. Trang thiết bị, vật liệu và hóa chất sử dụng ....................................................... 22
2.1.1. Các dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ................................................................ 22
2.1.2. Các hoá chất sử dụng .................................................................................. 22
2.2. Chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu .............................................................. 22
2.2.1. Phương pháp khử hóa học sử dụng citrate.................................................. 22
2.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu .................................. 24
2.3. Chế tạo các hạt nano bạc dạng đĩa bằng cảm quang dùng LED ........................ 26
2.3.1. Quy trình ..................................................................................................... 26
2.3.2. Ảnh hưởng của lượng TSC lên các đĩa AgNPs .......................................... 27
ii


2.4. Khảo sát tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc với khuẩn E.coli ................... 27
2.5. Các phương pháp khảo sát ................................................................................. 28
2.5.1. Phổ hấp thụ UV-Vis.................................................................................... 28
2.5.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope −TEM) .. 30
2.5.3 Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X ........................................................ 32
2.5.4. Phổ hấp thụ hồng ngoại .............................................................................. 33
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 36
3.1. Kết quả chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu ................................................. 36

Sliver nanoparicles

Nano bạc

2

SPR

Surface Plasmon Resonace

Cộng hưởng Plasmon bề mặt

3

UV-Vis

Ultraviolet − Visible

Máy đo quang phổ hấp thụ

4

TEM

5

FTIR

6


Hình 1.11. Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn ............... 15
Hình 1.12. Ion bạc liên kết với các base của DNA ............................................ 16
Hình 1.13. Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn bằng lực bám hút tĩnh điện
và phá vỡ cấu trúc màng...................................................................................... 16
Hình 1.14. Cơ chế diệt khuẩn của hạt keo nano bạc ........................................... 17
Hình 1.15. Một vài sản phẩm chứa hạt keo nano bạc ......................................... 19
Hình 1.16. Hình dạng của vi khuẩn E.coli quan sát dưới kính hiển vi .............. 21
Hình 2.1. Hình minh họa cơ chế phát triển mầm tạo thành các AgNPs bằng
phương pháp khử citrate...................................................................................... 23
Hình 2.2. a) Thí nghiệm chế tạo hạt nano bạc. ................................................... 23
b) Dung dịch hạt nano bạc sau khi chế tạo ......................................... 23
Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo mầm Ag ........................................................................ 26
Hình 2.4. Phát triển mầm bằng đèn LED với mật độ công suất 0,51 mW/cm2 .. 27
Hình 2.5. Hình ảnh đĩa Petri được đục lỗ để làm thí nghiệm thử kháng khuẩn . 28
Hình 2.6. Biểu diễn định luật Lamber-Beer ........................................................ 29
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia................... 29
Hình 2.8. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua ......................................... 31
v


Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua-TEM tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung
ương ............................................................................................................. 32
Hình 2.10. Giản đồ minh họa về mặt hình học của định luật Bragg................... 33
Hình 3.1. Phổ hấp thụ của hạt keo nano bạc có kích thước ~40 nm được tổng hợp
bằng phương pháp khử citrate ............................................................................. 36
Hình 3.2. a) Ảnh TEM của các hạt keo AgNPs; ................................................. 37
b) Xác suất phân bố kích thước hạt tương ứng ................................... 37
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với [TSC]/[AgNO3] = 5:1 .. 38
Hình 3.4. Phổ FTIR của các AgNPs với tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 5:1 ................ 38
sau khi được tổng hợp ......................................................................................... 38

lượt 50, 100, 500, 1000, 2500 và 4000 µl. ........................................ 47
(b)- Ảnh chụp dung dịch chứa AgNPs mầm tương ứng với các ...... 47
mẫu hình a. ........................................................................................ 47
Hình 3.12. Tính chất quang của các hạt AgNPs phát triển theo thời gian với các
lượng TSC khác nhau. ......................................................................................... 49
(a), (b), (c) và (d) là phổ hấp thụ plasmon của các AgNPs ứng với các
thời gian chiếu LED là 1, 2, 3 và 4h. ................................................ 49
(e), (f), (g) và (h) là ảnh chụp kỹ thuật số các dung dịch chứa các
AgNPs theo các thời gian 1, 2, 3 và 4h tương ứng thay đổi lượng TSC
trong hình a, b, c và d. ....................................................................... 49
Hình 3.13. Phổ hấp thụ plasmon về sự ổn định của các hạt keo nano bạc
[TSC]/[AgNO3]=5:1 sau 2, 12, 21, 23, 30 và 43 ngày........................................ 50
Hình 3.14. Kết quả hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs được tổng hợp bằng tác
nhân khử citrate chống lại vi khuẩn E.coli. Vùng kháng khuẩn của các mẫu T3,
T4 và T5 lần lượt là 13 mm, 11 mm và 9 mm. ................................................... 51

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Sự liên quan đến kích thước và số nguyên tử trên bề mặt.................... 3
Bảng 2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ TSC/AgNO3 đến quá trình tổng hợp các
hạt keo nano bạc .................................................................................................. 24
Bảng 2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp các hạt keo
nano bạc............................................................................................................... 25
Bảng 2.3. Các điều kiện thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của pH ........... 25
Bảng 2.4. Bảng số liệu thay đổi lượng TSC lên sự tạo thành mầm .................... 27

viii


1


Nghiên cứu quá trình hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt nano bạc
dạng cầu và hình dạng khác nhau, từ đó thử nghiệm trong diệt khuẩn E.coli.
Phạm vi nghiên cứu
Chế tạo và nghiên cứu quá trình hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt
nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác.
Phương pháp nghiên cứu
Chủ yếu nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm.
- Sử dụng lý thuyết Mie và Gans để giải thích cơ chế hấp thụ Plasmon của
các hạt kim loại nhỏ
- Sử dụng phương pháp hóa ướt để chế tạo hạt nano bạc bằng Sodium citrate
và sodium borohydride như là tác nhân khử. Phương pháp cảm quang dùng đèn
LED để chế tạo các hạt nano đĩa dẹt dạng tam giác.
- Các phương pháp phổ hấp thụ cộng hưởng và tán xạ Plasmon bề mặt, phổ
hồng ngoại để nghiên cứu các tính chất quang của hạt nano bạc
- Phương pháp đo SEM và TEM để xác định kích thước và hình thái hạt
nano
- Phổ XRD được sử dụng để nghiên cấu trúc pha của tinh thể bạc.
Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu trên các hạt nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác.
- Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn E.coli.
Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo các hạt nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác
- Nghiên cứu quá trình hấp thụ của các hạt nano bạc chế tạo được
- Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano bạc đối với khuẩn E.coli.
Báo cáo luận văn được trình bày trong 3 chương không kể phần mở đầu và
kết luận:
Chương 1. Tổng quan về các hạt keo nano bạc, các phương pháp chế tạo

Tỉ số nguyên tử ở trên
bề mặt (%)

10

30.104

20

5

4.103

40

2

2,5.102

80

1

30

90

Hạt keo nano bạc thuộc hình dạng nano không chiều, có diện tích bề mặt
riêng rất lớn, có những đặc tính độc đáo sau [13]:
- Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại

của sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn (điện tử tự do) đối với
lõi ion nặng của một hạt nano cầu. Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của
4


hạt nano về phần của chúng hoạt động như: lực hồi phục (restoring force). Bằng
cách đó, một dao động lưỡng cực của các điện tử với chu kỳ T đã được tạo nên.
Hiệu ứng Plasmon bề mặt được giải thích bởi các lí thuyết của Mie và Gans.
a) Lý thuyết Mie
Đầu thế kỉ XX, Gustav Mie nghiên cứu tính chất của các hạt chất keo trong
dung dịch dạng lỏng để mô tả tính chất quang và điện của chúng. Ông đã phát
triển lí thuyết có khả năng mô tả toán học sự tán xạ ánh sáng tới của các hạt dạng
cầu nhúng trong một môi trường liên tục bằng cách giải phương trình Maxwell
khi cho sóng điện từ tương tác với một quả cầu nhỏ, có hằng số điện môi phụ
thuộc tần số tương tự vật liệu khối.
Theo các tính toán của Mie, chỉ có dao động lưỡng cực là ảnh hưởng đáng
kể tới thiết diện tắt dần Cext (kích thước hạt nano rất nhỏ so với bước sóng ánh
sáng tới: 2r < max/10). Thiết diện này được tính theo công thức:
Cext ( )  9


c

 m3 / 2V

[

 ( )
 ]  [ 2 ( ) ]2


điều kiện cộng hưởng được thỏa mãn khi 1    2 m nếu như  2 nhỏ hoặc phụ
thuộc yếu vào  . Phương trình trên đã được sử dụng để giải thích tổng quát phổ
hấp thụ của hạt nano kim loại nhỏ một cách định tính cũng như định lượng. Ngoài
ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa thiết diện tán xạ (thiết diện dập tắt, thiết
diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Q sca (hiệu suất dập tắt Qext , hiệu suất hấp thụ
Qabs ) Plasmon bề mặt theo các biểu thức:
5


Q sca 

C
C
C sca
, Q ext  ext , Q abs  abs
S
S
S

(1.3)

Trong đó S là diện tích tương ứng (với hạt cầu S   r2 , r là bán kính hạt cầu)
Tuy nhiên đối với các hạt nano lớn hơn (lớn hơn khoảng 20 nm trong trường
hợp của vàng) khi đó gần đúng lưỡng cực không còn hợp lệ, cộng hưởng Plasmon
bề mặt phụ thuộc rõ ràng vào kích thước của hạt r. Kích thước hạt càng lớn thì
các mode dao động càng cao hơn do ánh sáng lúc đó không còn phân cực hạt một
cách đồng nhất được nữa. Các mode dao động cao này có vị trí đỉnh phổ ở năng
lượng thấp hơn và do đó tần số dao động của Plasmon bề mặt cũng giảm khi kích
thước hạt tăng. Điều này được mô tả thực nghiệm và cũng tuân theo lý thuyết
Mie. Phổ hấp thụ quang phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt được coi như các

độ điện tử tự do n và điện tích e,  0 là hằng số điện môi trong chân không và meff
là khối lượng điện tử hiệu dụng,  là hàm của bán kính hạt r như sau:

 (r )   0 

A F
,
r

(1.5)

Trong đó 0 là hằng số tắt của vật liệu khối, A là một tham số phụ thuộc
vào chi tiết các quá trình tán xạ (tức là tán xạ đẳng hướng hoặc tán xạ khuyếch
tán) và  F là vận tốc của điện tử có năng lượng bằng mức Fermi.
Mô hình này hiệu chỉnh sự phụ thuộc 1/r của độ rộng phổ Plasmon như
hàm của kích thước cho các hạt nano được diễn tả bằng gần đúng lưỡng cực trong
vùng kích thước nội “intrinsic” (r

m 2V 

 1 
 P2  2
j 


3

j


1  Pj 
1  
Pj



2

 
2
 m    2
 

(1.6)

Trong đó P j là các thừa số khử cực dọc theo ba trục A, B và C của thanh
nano, với A  B  C , được xác định khi


8

1

2

(1.9)


1.2. Các phương pháp chế tạo hạt keo 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 “topdown” là phương pháp tạo các hạt nano từ vật liệu khối ban đầu.
− Đối với hạt keo nano bạc, thường được điều chế bằng phương pháp từ
dưới lên.
1.2.1. Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)
Đối với hạt nano kim loại như: hạt nano vàng, bạc, bạch kim,... thì phương
pháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion
kim loại như: Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag0 và Au0. Các nguyên tử sẽ
liên kết với nhau tạo ra hạt nano.
Trong phương pháp từ dưới lên có 3 phương pháp để chế tạo hạt keo nano
bạc là: phương pháp khử hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp hóa lý.
Trong đó, phương pháp vật lý và phương pháp hóa lý bị hạn chế bởi thiết bị sử
dụng phức tạp, tiêu hao nhiều năng lượng, kích thước hạt lớn và không đồng đều.
Do vậy, tôi lựa chọn phương pháp khử hóa học được sử dụng rộng rãi hơn do lợi
thế về hiệu suất tổng hợp hạt nano, chi phí thấp, dễ thực hiện, kích thước hạt nhỏ,
đồng đều và ít rủi ro. Sẽ được trình bày dưới đây:
 Phương pháp khử hóa học:

năng lượng rất cao) cỡ ns bắn ra. Sơ đồ chế tạo được mô tả bởi hình dưới đây, vật
liệu là một tấm bạc đặt trong dung dịch chứa chất hoạt hóa bề mặt.

Hình 1.3. Sơ đồ chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp ăn mòn laser
b) Phương pháp quang hóa

10


Phương pháp quang hóa là một phương pháp hoá lí, phản ứng khử ion bạc
xảy ra dưới tác dụng của bức xạ. Chúng ta có thể gây phản ứng quang hóa bằng
tia X trong môi trường Triton X-100 (Octyl phenol Ethoxylate) hay còn gọi là
TX-100, nó không chỉ đóng vai trò chất tham gia phản ứng quang hóa mà còn
đóng vai trò chất ổn định nhằm tránh kết đám của hạt theo thời gian [18]. Quá
trình đầu tiên là quá trình oxy hóa TX-100 gây ra bởi các gốc OH-/H+ sinh ra do
quá trình quang phân nước tạo ra một rượu có tính khử mạnh, sau đó rượu này sẽ
khử các ion bạc thành bạc nguyên tử, do năng lượng liên kết giữa bạc nguyên tử
với chính nó và các ion lớn hơn với dung môi nên chúng kết lại tạo ra các hạt chứa
cả Ag và Ag+. Cứ như vậy các ion bị hút lên bề mặt của bạc và bị khử, làm cho
kích thước của hạt bạc ngày càng lớn lên.
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo nano Ag bằng phương
pháp cảm ứng quang (dùng LED, λ = 532nm), xảy ra với sự có mặt của TSC
(C6H5Na3O7.2H2O).

Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của citrate
Cơ chế của phương pháp quang xúc tác xảy ra là do ảnh hưởng của biến
đổi citrate. Hình dạng nanoprisms sẽ không được quan sát nếu trong phản ứng
không có mặt của citrate hoặc thay thế bằng một hợp chất chứa carboxylate khác.
Do vậy, citrate đóng vai trò quyết định trong việc có hình thành dạng đĩa
nanoprisms hay không.

bằng đèn LED (bước sóng 532nm), các hạt Ag mầm hấp thụ sánh sáng tạo ra dao
động Plasmon bề mặt kích thích phản ứng hóa học của citrate, các phân tử citrate
trên bề mặt hạt nano Ag bị oxy hóa này thành acetonedicarboxylate và nhường lại
2 điện tử trên bề mặt hạt Ag mầm. Các ion Ag+ sẽ bị khử trên bề mặt của các hạt
Ag mầm. Qua đó, kích thước hạt mầm sẽ phát triển lớn hơn.

Hình 1.7. Mô hình oxy hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus
Khi bắt đầu phản ứng, các hạt nano mầm hình cầu hấp thụ ánh sáng đẳng
hướng, tạo nên các dao động Plasmon lưỡng cực. Nhưng sau khi phản ứng của
citrate xảy ra thì các hạt Ag mầm không phát triển dạng cầu nữa. Khi tiếp tục
chiếu sáng, ánh sáng kích thích ưu tiên kích thích Plasmon dao động lưỡng cực
dọc. Dao động lưỡng cực dọc ưu tiên phát triển theo những góc. Do vậy, các hạt
hình cầu phát triển dị hướng dẫn đến sự hình thành các dạng nano đĩa tam giác.
Khi các đĩa tam giác Ag được tạo ra bởi các dao động lưỡng cực dọc đủ lớn
và có bước sóng dao động Plasmon lớn hơn bước sóng kích thích thì quá trình
phát triển tạo đĩa tam giác chậm lại (ánh sáng kích thích không còn kích thích dao
động lưỡng cực dọc nữa). Tiếp tục chiếu sáng thì ánh sáng kích thícch dao động tứ
cực trên mặt phẳng đĩa làm cho kích thước đĩa lớn hơn trong khi quá trình phát
13


triển chóp rất chậm dẫn đến sự hình thành các dạng đĩa tam giác cụt. Nếu trong
phản ứng có sự tham gia của quá trình khử nhiệt và nó nhanh hơn quá trình khử
quang thì sẽ phát triển thành các đĩa tròn.

Hình 1.8. Sơ đồ quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác
từ Ag dạng cầu [21]
Bằng cách thay đổi các điều kiện phản ứng thì các hình dạng khác của đĩa
bạc nano cũng được tổng hợp thành công (Hình 1.9).
Ưu điểm của phương pháp cảm quang:

15