Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng Dụng Trong Diệt Khuẩn.doc

Tải tài liệu tại sividoc.com
Viết đề tài giá sinh viên – ZALO:0973.287.149-TEAMLUANVAN.COM
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NGUYỄN VĂN ĐÔNG
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC HẠT
NANO BẠC NHẰM ỨNG DỤNG TRONG DIỆT KHUẨN
CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC
THÁI NGUYÊN – 2018

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Phạm
Minh Tân và TS. Vũ Xuân Hòa - Những người Thầy đã tận tình hướng dẫn và
truyền cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu khoa học trong suốt quá
trình hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, các cô Khoa Vật lý và Công nghệ -
Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, trong suốt hai năm qua, đã
truyền đạt những kiến thức quý báu để chúng tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu và các thầy cô giáo Trường
THPT Chuyên Hưng Yên, nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện để tôi được
tham gia khóa học và hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi xin được cảm ơn tới gia đình và bạn bè. Những người luôn
ở bên cạnh và ủng hộ tôi, đã cho tôi những lời khuyên và động viên tôi hoàn
thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2018
Học viên
Nguyễn Văn Đông

MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................v
MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.................................................................................4
1.1. Tổng quan về các hạt nano.............................................................................4
1.1.1. Các hạt vi cầu.................................................................................................... 4
1.1.2. Chấm lượng tử .................................................................................................. 5
1.1.3. Các hạt kim loại ................................................................................................ 6
1.2. Hạt nano bạc...................................................................................................6
1.2.1. Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc........................................................... 6
1.2.2. Tính chất vật lý của Ag..................................................................................... 7
1.2.3 Tính chất quang của nano bạc............................................................................ 7
1.2.3.1. Phổ hấp thụ plasmon (absorption plasmon spectra) ..............................................7
1.2.3.2. Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt...........................................................9
1.2.3.3. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào kích thước hạt ...........................................9
1.2.3.4. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào hình dạng hạt –lý thuyết Gans................12
1.2.4. Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc ..................................................... 14
1.2.4.1. Phương pháp khử hóa học ...................................................................................14
1.2.4.2. Phương pháp khử sinh học ..................................................................................16
1.2.4.3. Phương pháp khử vật lý.......................................................................................16
1.2.4.4. Phương pháp quang hóa chế tạo nano Ag sử dụng đèn LED xanh. ....................18
1.3. Ứng dụng các hạt nano bạc ..........................................................................22
1.3.1. Ứng dụng trong diệt khuẩn ............................................................................. 22
1.3.2. Các ứng dụng khác.......................................................................................... 24
1.3.2.1. Trong y tế, mỹ phẩm............................................................................................24
1.3.2.2. Vật dụng, trang thiết bị........................................................................................25
1.3.2.3. Xử lý môi trường: Màng lọc nước thải nano bạc ................................................25
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM....................................26
2.1. Hóa chất và dụng cụ.....................................................................................26

2.1.1. Thiết bị............................................................................................................ 26
2.1.2. Hóa chất .......................................................................................................... 26
2.2.. Chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp quang hóa (Chiếu bằng đèn LED)
.............................................................................................................................26
2.2.1. Chuẩn bị.......................................................................................................... 26
2.2.2. Các bước tiến hành thực nghiệm .................................................................... 27
2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến quá trình hình thành hạt
nano bạc. ................................................................................................................... 29
2.2.3.1. Thay đổi độ pH dung dịch mầm ..........................................................................29
2.2.3.2. Thay đổi nồng độ chất khử NaBH4 dung dịch mầm............................................30
2.2.3.3. Thay đổi thời gian chiếu LED, nhiệt độ ..............................................................30
2.3. Khảo sát tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc với khuẩn Escherichia coli
(E. coli) và Salmonella........................................................................................36
2.4. Các phương pháp khảo sát đặc trưng của vật liệu .......................................36
2.4.1. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .................................................................. 36
2.4.2. Nhiễu xạ tia X (XRD)..................................................................................... 37
2.4.3. Phổ hấp thụ ..................................................................................................... 38
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................41
3.1. Phổ hấp thụ của hạt nano bạc (AgNPs)........................................................41
3.2. Hình thái và kích thước hạt..........................................................................43
3.3. Phân tích cấu trúc .........................................................................................46
3.4. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến chất lượng mẫu...............................46
3.4.1. Thời gian chiếu LED ...................................................................................... 47
3.4.2. Ảnh hưởng của độ pH..................................................................................... 49
3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử NaBH4 ...................................................... 52
3.5. Thử nghiệm về tính kháng khuẩn.................................................................54
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................58

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Danh mục dung dịch các hóa chất dùng trong thực nghiệm.................. 27
Bảng 2.2: Thay đổi độ pH của dung dịch mầm..................................................................... 30
Bảng 2.3: Thay đổi nồng độ chất khử NaBH4 của dung dịch mầm........................... 30
Bảng 2.4: Thay đổi thời gian chiếu LED với mẫu pH=6,0 ............................................ 31
Bảng 2.8: Thay đổi thời gian chiếu LED và thay đổi tỷ lệ nồng độ
[NaBH4]/[AgNO3].................................................................................................................................. 35
Bảng 3.1: Cực đại hấp thụ plasmon của mầm và của các hạt nano bạc được
chiếu LED theo thời gian .................................................................................................................... 49

i

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Biểu diễn vùng bước sóng phát quang của các chấm lượng tử có kích
thước khác nhau được làm từ một số vật liệu ............................................................................ 5
Hình 1.2. Sự dao động plasmon của hạt nano bạc dưới tác dụng của bức xạ
điện từ.................................................................................................................................................................8
Hình 1.3. (A) Phổ UV-vis và (B) màu của các dung dịch nano bạc có kích thước
từ 5-100 nm......................................................................................................................................................8
Hình 1.4. Phổ hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt nano vàng kích thước
9, 22, 48 và 99 nm..................................................................................................................................... 11
Hình 1.5. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh
nano vàng với các tỷ lệ tương quan: R = 2,7; R = 3,3...................................................... 12
Hình 1.6. Cấu trúc hóa học của citrate...................................................................................... 18
Hình 1.7. Phổ hấp thụ của dung dịch tiền chất Ag trước và sau khi thêm NaBH4…… 19
Hình 1.8. Phổ hấp thụ của dung dịch hỗn hợp gồm AgNO3, citrate và BSPP.... 19
Hình 1.9. Mô hình oxi hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus........ 20
Hình 1.10. Tổng quát quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác từ Ag
dạng cầu........................................................................................................................................................ 21
Hình 1.11. Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình chuyển đổi hình thái học
theo Ref .......................................................................................................................................................... 21
Hình 1.12. Cấu trúc tế bào................................................................................................................ 22
Hình 1.13. Ảnh TEM của tế bào vi khuẩn E. coli không tiếp xúc với hạt bạc (a)
và tiếp xúc với hạt bạc (b) và hình ảnh phóng đại (c và d)............................................. 23
Hình 1.14. Ứng dụng của nano bạc vào khẩu trang y tế và thuốc bôi khử trùng ..24
Hình 1.15. Ứng dụng của nano bạc vào thiết bị công nghệ........................................... 25
Hình 2.1. Sơ đồ tạo mầm.................................................................................................................... 28
Hình 2.2. Hệ thống chiếu LED tạo hạt nano bạc................................................................. 29
Hình 2.3. Thử nghiệm diệt khuẩn E. coli và Salmonella bằng hạt nano bạc ...... 36

ii

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua................................... 37
Hình 2.5. Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg......................... 38
Hình 2.6. Sơ đồ hệ đo phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến................................................. 39
Hình 2.7. Mô tả định luật Lambert-Beer................................................................................... 39
Hình 2.8. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis........................................................................ 40
Hình 3.1. Phổ hấp thụ plasmon của các hạt AgNPs sau khi được chế tạo bằng
phương pháp cảm quang dưới sự kích thích của LED (mẫu có pH=9,4) gồm:
mầm, hạt AgNPs sau khi chiếu LED 2h và 5h........................................................................ 41
Hình 3.2. Hình thái kích thước hạt AgNPs được chế tạo bằng phương pháp cảm
quang dưới chiếu sáng đèn LED trong 2h. (a), (b) - Ảnh TEM của các hạt
AgNPs mầm ở các độ phóng đại khác nhau. (d) – là phân bố mật độ kích thước
hạt của hình (b). (c)- Ảnh TEM của các hạt đĩa AgNPs dạng tam giác. (f)- Ảnh
TEM phóng to của 2 đĩa AgNPs dạng tam giác..................................................................... 45
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với [NaBH4]:[AgNO3]=5:1,
và 100 µl TSC (2,5 mM). Đường mầu đỏ là thể hiện của mẫm và đường mầu đen
là của đĩa nano dạng tam giác sau khi chiếu LED trong 2h.......................................... 46
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian chiếu LED (công suất 0,51 mW/cm2
) lên sự
phát triển của mẫu AgNPs có pH=8,5. (a)- Phổ hấp thụ của mầm và của 11 mẫu
khi tăng dần thời gian chiếu LED (0,5h; 1h; 1,5h; 2h; 2,5h; 3h; 3,5h; 4h; 5h;
36h và 76h). (b)- Vị trí các đỉnh phổ cực đại thay đổi theo thời gian chiếu LED.
(c) – Phần phóng to của vị trí các cực đại phổ hấp thụ plasmon phụ thuộc vào
thời gian chiếu LED trong khoảng 0-5h. (d)- Ảnh chụp kỹ thuật số mầu sắc của
các dung dịch chứa các AgNPs theo thời gian chiếu LED ................................. 48
Hình 3.5. Phổ hấp thụ của các mẫu mầm với các độ pH khác nhau (pH=6; 7,4;
8,5; 9,4) ............................................................................................................... 49
Hình 3.6. Ảnh hưởng của pH lên phổ hấp thụ plasmon của các AgNPs. (a)-
pH=6; (b)-pH=7,4; (c)-pH=8,5 và (d)-pH=9,4 ................................................. 50

iii

Hình 3.7. So sánh phổ hấp thụ plasmon của các mẫu có pH khác nhau ứng với
thời gian chiếu sáng khác nhau. (a)- 1h; (b)- 2h; (c)- 4h và (d)-5h.......................... 52
Hình 3.8. Phổ hấp thụ của các hạt AgNPs mầm với các tỷ lệ [NaBH4]:[AgNO3]
thay đổi: 5:1; 5:2; 5:3; 5:4 và 5:5................................................................................................. 53
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ chất khử lên phổ hấp thụ plasmon của các AgNPs ở
các thời gian chiếu LED khác nhau. (a)- 1h; (b)- 2h; (c)- 3h và (d)-4h ...54
Hình 3.10. Thử kháng khuẩn của các mầm AgNPs đối với vi khuẩn Salmonella
và khuẩn E. coli. (a) - mẫu mầm AgNPs với tỷ lệ nồng độ
[NaBH4]/[AgNO3]=5:4 và [NaBH4]:[AgNO3]=5:5, KS là kháng sinh penicillin
làm đối chứng. (b) – Mẫu mầm AgNPs với tỷ lệ nồng độ [NaBH4]:[AgNO3]=5:4
và [NaBH4]:[AgNO3]=5:5................................................................................................................ 55

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Ký hiệu Tên đầy đủ Tên tiếng Việt
1 AgNPs Silver nanoparticles 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
Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền
Microsscopy qua
5 FTIR
Fourrier Transformation
Phổ hồng ngoại
Infrared spectroscopy
6 E. coli Escherichia coli Vi khuẩn E. coli

v

MỞ ĐẦU
Trên thế giới, công nghệ nano đã và đang trở thành cuộc cách mạng để đổi
mới và sáng tạo các sản phẩm công nghệ mới. Ứng dụng các vật liệu kích thước
nano là vấn đề được quan tâm nhiều trong lĩnh vực khoa học và công nghệ nano.
Trong những năm gần đây các vật liệu có kích thước nano được đặc biệt quan tâm
nghiên cứu chế tạo và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Khi kích thước của vật liệu
giảm xuống đến thang nano mét thì vật liệu đó bị chi phối bởi hiệu ứng giam cầm
lượng tử. Chính do có hiệu ứng này mà vật liệu có những tính chất đặc biệt và tạo
nguồn cảm hứng cho các nhà khoa học nghiên cứu. Những nghiên cứu về các vật
liệu có kích thước nano rất phong phú và đa dạng như nghiên cứu chế tạo các vật
liệu (vật liệu bán dẫn, vật liệu quang học, thông tin quang, ... ), nghiên cứu cơ bản
các tính chất về cấu trúc, tính chất quang, tính chất điện - từ, và các ứng dụng của
nó. Các vật liệu nano thể hiện các tính chất quang, điện tử và từ đặc biệt mà ở các
vật liệu khối không có. Bằng sự điều khiển thay đổi kích thước nano của chúng, các
tính chất quang học có thể được kiểm soát để làm tăng chức năng quang đặc biệt và
tạo ra các tính chất quang mới cũng như là có thể tích phân được nhiều chức năng
vào một linh kiện đa chức năng. Đặc biệt các vật liệu cấu trúc nano còn được ứng
dụng rất tốt trong y sinh.
Từ lâu, bạc nano được biết đến là chất có tính năng kháng khuẩn hiệu quả.
Bạc nano có khả năng hạn chế và tiêu diệt sự phát triển của nấm mốc, vi khuẩn và
thậm chí là cả virut. Bạc và các dạng muối bạc đã được sử dụng rộng rãi từ đầu thế
kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và khử khuẩn. Các nghiên cứu
chỉ ra rằng bạc có khả năng tiêu diệt đến 650 loài vi khuẩn [1]. So với các phương
pháp khử khuẩn truyền thống, bạc có hiệu quả diệt khuẩn cao, không tạo sản phẩm
phụ gây độc với môi trường, nước sau khi khử khuẩn không bị tái nhiễm.
Hiệu quả của bạc có thể được tăng lên gấp nhiều lần khi ở kích thước
nano. So với bạc ở kích thước micro hoặc lớn hơn, các hạt nano bạc có diện tích
bề mặt lớn, khi được phân bố đều trong môi trường làm tăng khả năng tiếp xúc
với các chất tham gia, do đó làm tăng hiệu quả làm việc của vật liệu.
1

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng
nano bạc bằng rất nhiều phương pháp tổng hợp ra nano bạc như: phương pháp vi
sóng, phương pháp khử sinh học, phương pháp hoá lý… Phương pháp chế tạo
nano bạc theo phương pháp quang hóa sử dụng ánh sáng xanh của đèn LED là
một phương pháp mới có ít các nghiên cứu được thực hiện. Chính vì vậy chúng
tôi thực hiện đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của các hạt nano
bạc nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn” bằng phương pháp quang hóa sử dụng
ánh sáng đèn LED xanh.
Mục tiêu của luận văn:
- Chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu và các dạng khác nhau;
- Khảo sát tính chất quang các hạt nano chế tạo được;
- Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn Salmonella và E. coli của hạt nano
bạc chế tạo được.
Nội dung nghiên cứu:
Về công nghệ:
- Chế tạo thành công các hạt nano bạc dạng cầu để làm mầm và phát triển
thành dạng nano khác (đĩa tam giác, đĩa tam giác cụt, lục giác,..) bằng phương
pháp chiếu LED;
- Khảo sát các tham số công nghệ ảnh hưởng lên chất lượng mẫu. Từ đó
khảo sát các tính chất quang tương ứng.
- Thay đổi thời gian chế tạo, tỉ lệ tiền chất, pH…
Về tính chất vật lý: Khảo sát hình thái bề mặt, kích thước, cấu trúc, phổ
hấp thụ plasmon của các hạt nano chế tạo được.
Về định hướng ứng dụng:
Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano bạc sau khi chế tạo
đối với chủng khuẩn Salmonella và E. coli.
Bố cục của luận văn:
2

Luận văn gồm 60 trang, 33 hình và đồ thị, 9 bảng. Ngoài phần mở đầu và
kết luận, luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hạt nano nói chung và hạt nano bạc nói riêng;
Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm chế tạo hạt nano bạc dạng đĩa
và thử nghiệm trong diệt khuẩn;
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về các hạt nano
Hạt nano là vật liệu có kích thước từ vài đến hàng trăm nm, bao gồm hàng
trăm đến hàng nghìn nguyên tử giống nhau. Do kích thước nhỏ nên các tính chất lý
hóa của chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối [2].
Các hạt nano tinh thể được phân tán trong dung môi, vì vậy phải áp dụng
các biện pháp cần thiết để tránh hiện tượng kết đám. Các hạt nano tinh thể
thường có dạng cầu, ngoài ra còn có dạng khác như: thanh (rod), trụ (cylinder),
lăng trụ (prism), tam giác (triangle), tứ giác (quadrilateral)…
Vì kích thước của các hạt nano nhỏ cùng bậc với độ lớn của bước sóng de
Broglie của điện tử và lỗ trống ở nhiệt độ phòng, do đó các trạng thái của hạt tải
tự do trong hạt nano bị lượng tử hóa. Các hạt nano tinh thể dạng cầu, các điện tử
và lỗ trống bị cầm giữ cả ba chiều thì chuyển động của các hạt tải bị quyết định
hoàn toàn bởi cơ học lượng tử, vì vậy các mức năng lượng của các hạt nano phụ
thuộc vào kích thước hạt của chúng. Bằng cách khống chế kích thước hạt trong
quá trình tổng hợp người ta có thể thu được các hạt với tính chất mong muốn.
Các hạt có kích thước càng nhỏ thì khoảng cách giữa các mức năng lượng của
chúng càng lớn.
Phần dưới đây giới thiệu một số hạt nano tinh thể phát quang chính được
sử dụng trong đánh dấu sinh học như: Các chấm lượng tử (QD), các hạt vi cầu,
các hạt kim loại.
1.1.1. Các hạt vi cầu
Các hạt vi cầu là những hạt nano trên nền polymer hoặc silica chứa các chất
màu hữu cơ hoặc vô cơ. Chất màu có thể được gắn trên bề mặt hoặc đưa vào trong
hạt vi cầu bằng liên kết hóa trị hay liên kết không hóa trị. So với các chất màu hữu
cơ thì các hạt vi cầu có độ bền quang cao hơn vì nền polymer và silica bảo vệ các
chất màu hữu cơ khỏi oxi hóa. Độ chói của tín hiệu huỳnh quang của vi cầu có thể
được điều khiển bằng số phân tử chất màu trong mỗi vi cầu với mật độ chất màu
4

lớn nhất được giới hạn chỉ bởi sự dập tắt huỳnh quang. Vì vậy, hạt vi cầu có thể
có độ bền quang tương đối tốt. Ví dụ các chất màu pyrenne trong hạt vi cầu
polystyrene có độ bền quang cao gấp 40 lần trong dung môi.
1.1.2. Chấm lượng tử
Các nano tinh thể trên cơ sở bán dẫn được quan tâm nghiên cứu nhiều từ
khoảng ba thập kỷ trở lại đây bởi những tính chất lượng tử đặc biệt thú vị của
chúng. Các tính chất đó là hệ quả của sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào
kích thước hạt. Về mặt vật lý mà nói, các tính chất lượng tử (trong trường hợp
này là sự phụ thuộc của huỳnh quang vào kích thước hạt) xuất hiện nếu cặp điện
tử-lỗ trống (exciton) bị cầm giữ trong kích thước nhỏ hơn bán kính Borh của vật
liệu khối (bán kính exciton Bohr).
Hệ quả của điều kiện này là trạng thái của các hạt tải tự do trong nano tinh
thể bán dẫn bị lượng tử hóa và khoảng cách giữa các mức năng lượng (màu của
bức xạ) liên quan tới kích thước của hạt.
Hình 1.1. Biểu diễn vùng bước sóng phát quang của các chấm lượng tử có kích
thước khác nhau được làm từ một số vật liệu [3].
Trong Hình 1.1, mỗi vạch biểu diễn khoảng vùng phát quang nhận được
từ chấm lượng tử nhỏ nhất (cận trái) đến lớn nhất bên phải (cận phải) của vật
liệu nêu tên
5

1.1.3. Các hạt kim loại
Các hạt nano tinh thể kim loại gồm các hạt nano được chế tạo từ các vật liệu
kim loại như Au, Ag, Pt, Cu, Co và các oxit như Fe2 O3 , CuO, trong đó các hạt Au,
Ag được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng quang. Có 3 phương pháp kích
thích quang chính được sử dụng để kích thích quang các hạt kim loại là:
1) Kích thích trực tiếp các hạt nano kim loại;
2) Kích thích gián tiếp thông qua các tâm mầu được gắn trên bề mặt hạt
kim loại;
3) Các quá trình quang xúc tác trong hỗn hợp nano (nanocomposite) bán
dẫn - kim loại.
Khi được kích thích bằng ánh sáng tử ngoại hoặc nhìn thấy, các hạt nano
kim loại thể hiện một số hiện tượng hấp dẫn bao gồm: Phát quang, quang phi
tuyến và tăng cường tán xạ Raman (Suface Enhanced Raman Scattering- SERS).
1.2. Hạt nano bạc
1.2.1. Sơ lược về tính chất và đặc tính của bạc
Bạc là kim loại mềm, dẻo, dễ uốn, có hóa trị một, có màu trắng bóng ánh
kim nếu bề mặt có độ đánh bóng cao. Bạc có độ dẫn điện tốt nhất trong các kim
loại, cao hơn cả đồng, nhưng do giá thành cao nên nó không được sử dụng rộng
rãi để làm dây dẫn điện như đồng.
Bạc nguyên chất có độ dẫn nhiệt cao nhất, màu trắng nhất, độ phản quang
cao nhất (mặc dù nó là chất phản xạ tia cực tím rất kém) và điện trở thấp nhất
trong các kim loại. Các muối halogen của bạc nhạy sáng và có hiệu ứng rõ nét
khi bị chiếu sáng. Kim loại này ổn định trong không khí sạch và nước, nhưng bị
mờ xỉn đi trong ôzôn, sulfua hiđrô, hay không khí có chứa lưu huỳnh. Trạng thái
oxi hóa ổn định nhất của bạc là +1; có một số hợp chất trong đó nó có hóa trị +2
đã được tìm thấy [4].
6

1.2.2. Tính chất vật lý của Ag
Trạng thái vật chất Rắn
Điểm nóng chảy 1.234,93 K (1.763,2 °F)
Điểm sôi 2.435 K (3.924 °F)
Trạng thái trật tự từ nghịch từ
Thể tích phân tử 10,27 ×10-6
m³/mol
Nhiệt bay hơi 250,58 kJ/mol
Nhiệt nóng chảy 11,3 kJ/mol
Áp suất hơi 0,34 Pa tại 1234 K
Vận tốc truyền âm thanh 2.600 m/s tại 293,15 K
Độ âm điện 1,93 (thang Pauling)
Nhiệt dung riêng 232 J/(kg.K)
Độ dẫn điện 6,301x107
/Ω.m
Độ dẫn nhiệt 429 W/(m.K)
Năng lượng ion hóa
1. 731,0 kJ/mol
2. 2.070 kJ/mol
1.2.3 Tính chất quang của nano bạc
1.2.3.1. Phổ hấp thụ plasmon (absorption plasmon spectra)
Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface plasmon resonance-
SPR) là hiện tượng dao động cộng hưởng của các electron dẫn tại bề mặt của vật
liệu khi bị kích thích bởi ánh sáng tới.
Hạt nano kim loại quý nói chung và hạt nano bạc nói riêng có khả năng
tương tác mạnh với bức xạ điện từ [5]. Khi bị bức xạ điện từ kích thích, các
electron dẫn linh động của các hạt nano này sẽ bị dịch chuyển (Hình 1.2). Nếu kích
thước hạt nano nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng chiếu tới thì sự dịch chuyển của
các electron sẽ tạo thành một lưỡng cực điện. Lưỡng cực điện này sẽ dao động
7

với tần số của ánh sáng kích thích [5]. Trong trường hợp tần số của ánh sáng tới
cộng hưởng với tần số nội tại của các electron dẫn tại vùng gần bề mặt của hạt thì
ánh sáng bị hấp thụ và tán xạ mạnh. Trong phổ hấp thụ và tán xạ của hạt nano xuất
hiện dải có cường độ cực đại gọi là dải cộng hưởng plasmon bề mặt [6].
Theo lý thuyết Mie, đối với các hạt nano dạng cầu thì vị trí đỉnh cộng
hưởng plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: (i) thứ nhất là hình dạng và kích
thước của hạt nano, (ii) thứ hai là bản chất của vật liệu, (iii) thứ ba là môi trường
xung quanh của hạt nano. Lý thuyết Mie được áp dụng cho các hệ có nồng độ
hạt nhỏ và bỏ qua tương tác giữa các hạt nano [6]. Đỉnh phổ hấp thụ của hạt
nano bạc sẽ dịch về phía bước sóng ngắn khi kích thước hạt giảm và dịch về
bước sóng dài khi kích thước của hạt nano bạc tăng lên [6].
Hình 1.2. Sự dao động plasmon của hạt nano bạc dưới tác dụng của bức xạ
điện từ [7].
Hình 1.3. (A) Phổ UV-vis và (B) màu của các dung dịch nano bạc có kích thước
từ 5-100 nm [6].
8

Hình 1.3. A trình bày phổ UV-vis của các mẫu hạt nano bạc dạng cầu có
kích thước thay đổi từ 5 nm đến 100 nm [6]. Đối với hạt nano bạc không có
dạng hình cầu thì đỉnh phổ hấp thụ của chúng sẽ dịch về phía bước sóng dài [5].
1.2.3.2. Hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt
Hiện tượng tín hiệu tán xạ Raman được tăng cường dựa trên hiệu ứng
plasmon bề mặt được gọi là hiệu ứng tán xạ Raman tăng cường bề mặt (Surface-
Enhanced Raman Scattering- SERS). Sự tăng cường tán xạ Raman ở gần bề mặt
kim loại được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1974 khi nghiên cứu phổ Raman
của pyridine được hấp phụ trên điện cực bạc [5]. Cường độ của các dải phổ tăng
cường từ 105
-106
lần so với phổ Raman thường của pyridine. Sau đó, tán xạ
Raman tăng cường bề mặt (SERS) được quan sát đối với nhiều loại phân tử hấp
phụ trên các màng bạc mỏng nhám và hạt nano bạc [5]. Hiệu ứng SERS được
giải thích dựa trên hai cơ chế chính: (i) thứ nhất là cơ chế tăng cường trường
điện từ (Electromagnetic enhancement), (ii) thứ hai là cơ chế tăng cường hóa
học (Chemical enhancement) [8].
1.2.3.3. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào kích thước hạt
Các tính chất quang phụ thuộc vào kích thước của các hạt keo đã được
khảo sát chuyên sâu thông qua tán xạ Mie. Lý thuyết Mie mô tả toán lý sự tán
xạ của bức xạ điện từ bởi các hạt cầu nhúng trong một môi trường liên tục bằng
cách giải phương trình Maxwell cho một sóng điện từ tương tác với một quả
cầu nhỏ, có hằng số điện môi phụ thuộc vào tần số giống như vật liệu khối.
Đối với các hạt nano kim loại có kích thước d nhỏ hơn nhiều bước
sóng ánh sáng tới ( 2r , hoặc một cách gần đúng 2r <max/10) thì dao động
của điện tử được coi là dao động lưỡng cực và thiết diện tắt được viết dưới
dạng đơn giản:
C ()9 3/2V 2() (1.1)
c [1
()2
m ]2

[ 2() ]2
ext m
9

Cũng từ lý thuyết Mie ta có thể tính được thiết diện tán xạ Csca và
thiết diện hấp thụ Cabs với các hạt cầu nhỏ biểu diễn dưới dạng:
 k 4
V 2

C
sca 18
1
2 27 
(1.2)
 
(1  22)
2

2
 2 
Trong đó: V 3
4
r3
là thể tích hình cầu, là tần số góc của ánh sáng tới,
c là tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không,m và() =1() + i2() là
hằng số điện môi của môi trường xung quanh và của vật liệu hạt. Đầu tiên ta giả
thiết là biểu thức độc lập với tần số và là một hàm phức phụ thuộc vào năng
lượng, 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 Qsca (hiệu suất dập tắt Qext ,
hiệu suất hấp thụ Qabs ) plasmon bề mặt theo các biểu thức:
Qsca 
Csca
, Qext 
Cext
, Qabs 
Cabs
(1.3)
S S
S
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 hiệu ứng ngoài.
Lý thuyết Mie chứng minh rằng hệ số tắt không phụ thuộc vào kích thước
hạt đối với trường hợp các hạt có kích thước nhỏ hơn 20 nm.
10

Hình 1.4. Phổ hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt nano vàng kích thước
9, 22, 48 và 99 nm.
Hầu hết các lý thuyết đưa ra đều giả thiết rằng hằng số điện môi của hạt
phụ thuộc vào kích thước, r với các hạt có đường kính trung bình nhỏ
hơn 20 nm. Kreibig và Von Fragstein đề xướng tán xạ điện tử trên bề mặt tăng
lên đối với các hạt nhỏ khi mà quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn bị
giới hạn bởi kích thước vật lý của hạt. Quãng đường tự do trung bình của điện tử
trong hạt vàng và bạc lần lượt là 40 và 50 nm. Nếu các điện tử va chạm đàn hồi
với bề mặt hoàn toàn ngẫu nhiên, sự đồng pha dao động ngẫu nhiên bị mất. Sự
va chạm không đàn hồi với điện tử với bề mặt cũng làm thay đổi pha.
Hạt càng nhỏ thì các điện tử chạm tới bề mặt của hạt càng nhanh. Điện tử
sau đó có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là trong hạt có
kích thước lớn hơn. Do đó, độ rộng phổ plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm.
Drude đã đưa ra công thức diễn tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào kích
thước hạtD:
D 1
2
,
p
(1.4)
2  i
Trong đó2
p ne2
/0 meff là tần số của plasmon khối trong ngôn ngữ mật độ
điện tử tự do n và điện tích e,0 là hằng số điện môi trong chân không và là
khối lượng điện tử hiệu dụng. là hàm của bán kính hạt r như sau:
meff

11

 (r) 0
A
F
, (1.5)
r
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 khuếch 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<20 nm). Thông số A được sử dụng như một thông số
“làm khớp các giá trị thực nghiệm”. Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết này là đã đưa
ra một mô hình mô tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hạt vào kích thước.
1.2.3.4. Sự phụ thuộc các tính chất quang vào hình dạng hạt –lý thuyết Gans
Dao động plasmon bề mặt trong các hạt nano kim loại sẽ bị biến đổi
nếu dạng của các hạt này lệch khỏi dạng cầu. Các tính chất phát xạ của các hạt
kim loại phụ thuộc vào hình dạng có thể được giải bằng lý thuyết Mie với các
hiệu chỉnh của Gans.
Hình 1.5. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích
thước của thanh nano vàng với các tỷ lệ tương quan: R = 2,7; R =
3,3.
Lý thuyết Gans dự đoán rằng sẽ xảy ra sự thay đổi trong cộng hưởng
plasmon bề mặt khi các hạt đi chệch khỏi dạng hình cầu. Trong trường hợp này,
khả năng phân cực lưỡng cực theo chiều ngang và dọc không còn là các cộng

12

hưởng tương đương. Do đó có hai cộng hưởng plasmon xuất hiện: một cộng hưởng
plasmon theo chiều dọc bị dịch đỏ và được mở rộng và một là cộng hưởng plasmon
ngang. Theo Gans, đối với các thanh nano vàng, sự hấp thụ plasmon chia tách
thành hai dải tương ứng với dao động của các điện tử tự do cùng phương và vuông
góc với trục dài của các thanh nano. Khi tỷ lệ tương quan giữa hai trục của hạt nano
tăng thì khoảng cách năng lượng giữa các đỉnh cộng hưởng của hai dải plasmon
tăng (Hình 1.5). Dải năng lượng cao nằm xung quanh 520 nm tương ứng với dao
động của các điện tử vuông góc với trục chính (trục dài) và được gọi là hấp thụ
plasmon ngang. Dải plasmon đó giữ không đổi với tỷ lệ tương quan giữa hai trục và
trùng với cộng hưởng plasmon của chấm nano. Còn dải hấp thụ ở năng lượng thấp
là của các dao động của điện tử dọc theo trục chính (dài) và được gọi là hấp thụ
plasmon dọc. Hình 1.8 cũng chỉ ra phổ hấp thụ của hai thanh nano vàng với các tỷ
lệ tương quan giữa hai trục là 2,7 và 3,3. Cũng từ phổ đó cho thấy rằng: cực đại dải
plasmon theo trục dài (vòng tròn) dịch đỏ khi tăng tỷ lệ tương quan R, trong khi đó
cực đại dải plasmon theo trục ngang (ô vuông) không thay đổi.
Phổ hấp thụ quang học của một tập hợp các thanh nano vàng định hướng
ngẫu nhiên với tỷ lệ tương quan R có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng
sự mở rộng của lý thuyết Mie.
Phổ hấp thụ của các thanh nano vàng (Au nanorod) với tỷ lệ tương quan R
được Gans tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết Mie với gần đúng lưỡng cực. Thiết
diện dập tắt C ext cho hình thon dài elip được biểu diễn bởi phương trình:
  
2

 1 2
3
2  P
j
C
ext 
3c

m
V

 1 Pj 
2 (1.6)
j
 
2
 
1 P  m 2
  j  
 
 
Trong đó Pj 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:
1e 2 1 1e 
PA   ln  1 (1.7)
e
2
2e
 1e 
13

PBPC
1 PA
(1.8)
2
Và tỷ lệ tương quan R có mối liên hệ như sau
 B2
1
2  112
(1.9)
e1   1  
R2
  A  
 
1.2.4. Một số phương pháp chế tạo hạt nano bạc
Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo dung dịch hạt nano
bạc, có hai phương pháp chính là phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên [9].
Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt nano bạc từ vật liệu khối ban
đầu. Phương pháp từ trên xuống thường được sử dụng là phương pháp ăn mòn
laser. Phương pháp từ dưới lên là tạo hạt nano từ các ion hoặc các nguyên tử kết
hợp lại với nhau. Phương pháp từ dưới lên bao gồm các phương pháp sau: Phương
pháp khử hóa học, Phương pháp khử vật lí, Phương pháp khử hóa lí, Phương pháp
khử sinh học. Đối với hạt nano bạc thì phương pháp thường được áp dụng là
phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử ion Ag+
để tạo thành các nguyên tử
Ag0
. Các nguyên tử sẽ liên kết với nhau tạo ra hạt nano.
1.2.4.1. Phương pháp khử hóa học
Phương pháp Hóa học là phương pháp truyền thống và được ứng dụng
nhiều nhất trong tổng hợp nano bạc. Ưu thế của phương pháp hóa học là dễ thực
hiện, không cần thiết bị phức tạp, có thể điều khiển được kích thước các hạt
nano bạc bằng cách thay đổi linh hoạt các hóa chất sử dụng về nồng độ, hàm
lượng các chất tham gia phản ứng, loại hóa chất khử với độ khử mạnh yếu khác
nhau, loại chất ổn định... Ngoài ra, kích thước các hạt nano bạc tạo ra cũng có
thể được điều khiển bằng cách thay đổi các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ khuấy
trộn, tốc độ nhỏ giọt hay thời gian khử...
Phương pháp hóa học cũng có thể được kết hợp với một số kỹ thuật vật lý
như sử dụng tia bức xạ hay sử dụng kỹ thuật điện hóa trong quá trình thực hiện
giúp tối ưu và điều khiển được sự hình thành các hạt nano bạc.
14

Phương pháp khử hóa học: Là phương pháp được sử dụng nhiều nhất
trong nghiên cứu cũng như trong thực tế để tổng hợp dung dịch chứa nano bạc
và vật liệu chứa nano bạc. Đây cũng là phương pháp được sử dụng xuyên suốt
trong luận văn này. Phương pháp này dùng các tác nhân hóa học để khử bạc ion
thành bạc kim loại. Thông thường, phản ứng được thực hiện trong dung dịch
lỏng nên còn gọi là phương pháp hóa ướt. Các chất khử thường dùng là:
natribohidrua, natrixitrat, focmandehit, glyxerol, etylenglycol, hydrazin, axit
ascorbic… Khi sử dụng chất khử mạnh như natribohydrua hay hydrazin, phản
ứng xảy ra nhanh, tạo ra các phân tử rất nhỏ. Tuy nhiên, khi nồng độ bạc tương
đối cao, sự khuếch tán của ion bạc trên các chất bảo vệ, ví dụ các phân tử PVP
(polyvinylpyrolidon), bị hạn chế, cùng với tốc độ khử cao, có thể dẫn đến kết
quả là độ chuyển hóa cao, tuy nhiên sự phân bố kích thước hạt rộng.
Khi sử dụng tác nhân khử vừa phải như focmandehyt, có thể thu được các
phân tử bạc có kích thước trung bình cỡ 30 nm với nồng độ bạc ban đầu khoảng
0,1M. Với chất khử yếu ví dụ như glucozo, phân tử nano bạc tạo ra có kích
thước khoảng 20 nm, nhưng sản phẩm thu được không đồng đều. Cũng với chất
khử là glucozo, khi sử dụng nguồn bạc là Ag2O, các phân tử bạc thu được có
kích thước nằm trong khoảng từ 10 – 50 nm [10].
Trong phương pháp khử hóa học, tỷ lệ chất khử, nồng độ ion Ag+, pH của dung
dịch, nồng độ polymer ảnh hưởng đến hiệu suất khử và kích thước hạt bạc [11].
Thông thường kim loại bạc được điều chế từ muối bạc (thường là AgNO3)
bằng phản ứng khử. Với tác nhân khử là andehit RCHO, phản ứng xảy ra như sau:
RCHO 2Ag
 3NH 3 H 2 O 2Ag RCOONH 4 2NH4

(1.10)
RCHO 2AgNO3 3NH 3 H 2 O 2Ag RCOONH 4 2NH 4 NO3 (1.11)
Nếu tác nhân khử là andehit focmic, phản ứng xảy ra như sau:
HCHO 4AgNO3 6NH 3 H 2 O 4Ag (NH 4 ) 2 CO 3 4NH 4 NO3 (1.12)
Nếu tác nhân khử là natri bohydrua (NaBH4), phản ứng khử xảy ra như sau:
15

AgNO3 NaBH 4 Ag H 2 B2 H 6 NaNO3 (1.13)
1.2.4.2. Phương pháp khử sinh học
Phương pháp khử sinh học gây phản ứng khử ion bạc thành nguyên tử bạc
nhờ các vi sinh vật như nấm, vi khuẩn: nấm Verticillium, vi khuẩn Pseudomonas
stutzeri, Lactobacillus (có trong sữa)… .
1.2.4.3. Phương pháp khử vật lý
Xét về khía cạnh kỹ thuật phương pháp vật lý rất hiệu quả trong việc chế
tạo nano bạc, sử dụng các kỹ thuật vật lý ở các điều kiện điều khiển chính xác.
Vì vậy các hạt nano bạc tạo ra có độ tinh khiết cao, kích thước khá đồng đều.
Xét về khía cạnh kinh tế, các phương pháp vật lý cần đầu tư các thiết bị yêu cầu
khá cao do các điều kiện cho việc chế tạo nano bạc bằng phương pháp vật lý khá
nghiêm ngặt. Vì vậy, giá thành chế tạo nano bạc so với các phương pháp chế tạo
khác còn khá cao. Các phương pháp kỹ thuật trong phương pháp vật lý bao gồm:
Phương pháp ăn mòn laser: thường được sử dụng để tổng hợp dung
dịch chứa nano bạc Vật liệu ban đầu là một tấm bạc được đặt trong một dung
dịch có một lớp chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm laser dạng xung có bước sóng
532 nm, độ rộng xung là 10 nm, tần số là 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ,
đường kính vùng kim loại bị tác dụng là 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 hoá bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8; 10; 12; 14 và nồng
độ từ 0,001 - 0,1 M [12].
Phương pháp bay hơi vật lý: Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ, đồng ngưng tụ
và ngưng tụ dòng hơi phun mạnh lên bia rắn.
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 được làm
lạnh bởi nitơ lỏng.
16

Kỹ thuật đồng ngưng tụ: Quá trình phát triển hạt xảy ra trên lớp bằng
dung môi thích hợp đồng ngưng tụ (thường là iso-propanol).
Kỹ thuật ngưng tụ khí trơ và đồng ngưng tụ được thực hiện ở nhiệt độ cao
(>2000
o
C), sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước hạt nano bạc trung bình
75 nm (phương pháp ngưng tụ khí trơ) và 15 nm (phương pháp đồng ngưng tụ).
Ngoài ra lớp mỏng hạt nano bạc có kích thước trung bình từ 15 - 50 nm lắng
đọng trên nền thạch anh hay thủy tinh được làm lạnh sâu cũng được tạo ra bằng
kỹ thuật ngưng tụ dòng hơi phun mạnh lên bia rắn ở nhiệt độ và áp suất cao [12].
Phương pháp bức xạ vi sóng điện từ: Thường được sử dụng để tổng hợp
dung dịch chứa nano bạc. Dung dịch hỗn hợp ban đầu gồm bạc ion, chất khử và
chất ổn định được chiếu xạ vi sóng điện từ. Dưới tác dụng của sóng ngắn và
nhiệt nóng phân bố đều trong dung dịch sẽ xúc tiến quá trình khử và phát triển
thành hạt bạc kim loại nhanh chóng. Dung dịch keo bạc thu được có kích thước
hạt trung bình khoảng 15 nm, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng [13].
Phương pháp phân hủy nhiệt: Được sử dụng để tổng hợp nano bạc dạng
rắn. Các hạt nano bạc có thể được hình thành bằng phương pháp phân hủy nhiệt
các hợp chất phức bạc hữu cơ. Hạt nano bạc kích thước trung bình 10 nm được
tổng hợp bằng phương pháp gia nhiệt phức bạc oleat đến 2900
C, ổn định 1 giờ,
sau đó hạ nhiệt độ đến nhiệt độ phòng [14].
Các phương pháp vật lý thường được nghiên cứu để tổng hợp một trong
hai đối tượng là dung dịch chứa nano bạc hoặc vật liệu chứa nano bạc. Không có
phương pháp nào cho thấy có thể đáp ứng được cả hai đối tượng nêu trên.
Qua phân tích các phương pháp chế tạo nano bạc khác nhau, có thể thấy
được ưu điểm của phương pháp khử hóa học nói riêng so với các phương pháp
hóa học còn lại cũng như so với phương pháp vật lý, trên phương diện ưu điểm
dễ thực hiện, sự đa dạng trong lựa chọn các đối tượng khác nhau để đạt được
mục đích tổng hợp nano bạc ở cả hai dạng dung dịch chứa nano bạc và vật liệu
chứa nano bạc.
17

1.2.4.4. Phương pháp quang hóa chế tạo nano Ag sử dụng đèn LED xanh.
Phương pháp quang hóa là một phương pháp hoá lí, phản ứng khử ion
bạc xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng. 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 Tri- natriumcitrat-dihydrat (C6H5Na3O7 .2H2O) còn
gọi là citrate.
Hình 1.6. Cấu trúc hóa học của citrate.
Theo một số tài liệu, 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
chứacarboxylate khác. Do vậy, citrate đóng vai trò quyết định trong việc có
hình thành dạng đĩa nanoprisms hay không [15].
Các phản ứng xảy ra như sau:
Quá trình tạo mầm: Tiền chất chứa Ag là dung dịch muối AgNO3 cung
cấp ion Ag+
. Các ion Ag+
bị khử thành nguyên tử Ag0
bằng sodium borohydride
(NaBH4). Kết quả được kiểm tra bằng phương pháp đo độ hấp thụ của dung dịch
sau phản ứng (Hình 1.7). Phản ứng xảy ra theo phương trình:
AgNO3 NaBH 4 Ag H 2 B2 H 6 NaNO3 (1.14)
18

Hình 1.7. Phổ hấp thụ của dung dịch tiền chất Ag trước và sau khi thêm NaBH4.
Citrate có ba nhóm carboxylic và được Munro và cộng sự chỉ ra rằng chủ
yếu hai trong số 3 nhóm đó sẽ liên kết với bề mặt bạc, để lại thứ ba ở bên ngoài bề
mặt hạt bạc để chịu trách nhiệm về sự ổn định của dung dịch keo bạc thông qua lực
đẩy tĩnh điện [16]. Citrate trong quá trình tạo mầm đóng vai trò là chất ổn định bề
mặt hạt, giữ cho kích thước hạt mầm trong khoảng 3nm với đỉnh hấp thụ
ở bước sóng 405nm. Dung dịch mầm tạo thành ở dạng hình cầu và có màu vàng
nhạt.
Quá trình biến đổi citrate do chiếu xạ LED: Trong dung dịch mầm sau
phản ứng còn chứa AgNO3, citrate dư và các hạt Ag mầm. Dung dịch AgNO3 và
citrate không hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (Hình 1.8). [15]
Hình 1.8. Phổ hấp thụ của dung dịch hỗn hợp gồm AgNO3, citrate và BSPP.
19

Nhiều nghiên cứu cho rằng O2 trong H2O là cần thiết cho quá trình phát
triển hình dạng của các hạt Ag nano mầm. O2 có thể oxi hóa Ag tạo ra Ag+
cung
cấp cho quá trình phát triển hạt. Phản ứng xảy ra theo phương trình:
Ag+
+ ½ O +H O Ag+
+ 2OH-
(1.15)
2 2
Ở nhiệt độ phòng phản ứng của citrate là không đáng kể. Khi chiếu sáng
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 oxi 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 1.9. Mô hình oxi 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
20

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 thích dao
động tứ cực trên mặt phẳng đĩa làm cho kích thước đĩa lớn hơn trong khi quá
trình phát 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 1.10. Tổng quát quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác từ Ag
dạng cầu [9].
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 1.11).
Ưu điểm của phương pháp cảm quang:
- Điều khiển phản ứng bằng ánh sáng;
- Phản ứng sẽ dừng lại khi không còn chiếu sáng.
21

Hình 1.11. Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình chuyển đổi hình thái học
theo Ref [9].
1.3. Ứng dụng các hạt nano bạc
1.3.1. Ứng dụng trong diệt khuẩn
Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, có nhiều hình thái, kích thước và cách sắp
xếp khác nhau. Đường kính của phần lớn vi khuẩn nằm trong khoảng 0.2 đến
2.0µm, chiều dài cơ thể khoảng 2.0 đến 8.0µm [17]. Những hình dạng chủ yếu
của vi khuẩn là hình cầu, hình que, hình dấu phẩy, hình xoắn, hình có cuống,
hình có sợi…Ví dụ như trực khuẩn đại tràng Escherichiacoli (E. coli) có kích
thước 2.5×0.5µm (1 tỷ vi khuẩn E. coli nặng 1mg) và thường có dạng hình que.
Vì vi khuẩn có kích thước nhỏ bé mà thường trong suốt, nên rất khó soi
tươi (quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi). Năm 1884, nhà vi khuẩn học Đan
Mạch Hans Christian Gram đã phát minh ra phương pháp nhuộm màu Gram
[17]. Với phương pháp này, người ta đã chia vi khuẩn làm hai nhóm lớn là Gram
âm và Gram dương.
Hình 1.12. Cấu trúc tế bào.
Cấu tạo cơ bản của tế bào vi khuẩn gồm có: thành tế bào (cell wall), màng
tế bào chất (cytoplasmic membrane), tế bào chất (cytoplasm), thể nhân (nuclear
body), bao nhầy, tiên mao, khuẩn mao, bào tử.
22

Cơ chế tiêu diệt vi khuẩn của hạt bạc
Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng tỏ chủ yếu sự tấn công của hạt bạc
đến vi khuẩn tập trung vào lớp peptidoglycan của thành tế bào vi khuẩn
[18][19][20]. Do đó, hạt bạc không có khả năng tấn công đến các tế bào của
động vật bậc cao, đặc biệt là con người. Đây là lí do khiến hạt bạc được sử dụng
làm tác nhân diệt khuẩn. Với các vi khuẩn khác nhau, thành tế bào có chiều dày
khác nhau, và thành phần trên màng tế bào khác nhau ở một số điểm nào đó
khiến chúng có thể dễ hay khó bị tấn công bởi các tác nhân diệt khuẩn như hạt
bạc. Hình 1.13. là ảnh chụp TEM cho thấy sự tấn công của các nguyên tử bạc tới
màng tế bào vi khuẩn E. coli.
Nhiều nghiên cứu khác cũng đã khẳng định sự tấn công vào các enzim bên
trong tế bào chất của vi khuẩn qua phân tích sản phẩm tạo thành xung quanh vi
khuẩn sau khi nó tiếp xúc với hạt bạc. Theo Sondi và Salopek – Sondi, khả năng
diệt khuẩn của hạt bạc tới các vi khuẩn Gram âm là do sự hình thành các “pits” bên
trong thành tế bào vi khuẩn [18]. Sau đó, bạc được gom lại trong màng tế bào làm
tế bào trở nên thẩm thấu tốt tất cả các chất, tức là mất khả năng kháng nguyên và sẽ
chết. Theo Amro [18], hạt kim loại tấn công vào tế bào gây ra sự hình thành các
“pits” có hình dạng lộn xộn ở bên trong màng tế bào và thay đổi khả năng thẩm
thấu của nó, và giải phóng ra các phân tử lipopolisaccarit và protein.
Hình 1.13. Ảnh TEM của tế bào vi khuẩn E. coli không tiếp xúc với hạt bạc (a)
và tiếp xúc với hạt bạc (b) và hình ảnh phóng đại (c và d).
23

Danilczuk và cộng sự đã khẳng định khả năng diệt khuẩn của hạt bạc là
do hình thành các gốc tự do có gắn hạt bạc (Ag – generated free radicals) qua
nghiên cứu ESR của hạt bạc [18]. Ion bạc cũng được chứng minh là có khả năng
diệt khuẩn [20]. Cơ chế diệt khuẩn của ion bạc được giải thích là do lực hút tĩnh
điện của các ion bạc mang điện tích dương với thành tế bào mang điện tích âm.
Đối với cơ chế vật lý, hạt nano bạc với kích thước nhỏ có thể đâm xuyên
qua màng tế bào dẫn đến sự phá hủy màng tế bào và gây ảnh hưởng đến quá
trình trao đổi chất của tế bào [21]. Hạt nano bạc cũng có thể tương tác với các
hợp chất chứa lưu huỳnh hay phốt pho và làm mất hoạt tính của chúng [22]. Đối
với cơ chế hóa học, các ion Ag+
giải phóng từ hạt nao bạc bên trong tế bào có
thể tương tác với DNA của tế bào làm mất khả năng tái tạo của chúng [22][21].
1.3.2. Các ứng dụng khác
1.3.2.1. Trong y tế, mỹ phẩm
Bạc đã được sử dụng khá thành công trong chiến tranh thế giới thứ nhất
để ngăn ngừa sự truyền nhiễm trước khi có kháng sinh. Dung dịch bạc nitrat
được dùng như dung dịch chuẩn để bôi những vết bỏng nặng và sau này được
thay thế bằng kem silver sulfadiazine (SSD Cream) mãi đến những năm cuối
thập kỷ 90. Hiện nay, gạc phủ bạc hoạt hóa, được dùng kèm với kem SSD và tác
dụng giảm đau và thuận lợi trong việc điều trị tại gia.
Hình 1.14. Ứng dụng của nano bạc vào khẩu trang y tế và thuốc bôi khử trùng.
24

Việc phổ biến sử dụng bạc trong điều trị đã giảm hẳn vì sự phát triển của
nhiều loại thuốc kháng sinh hiện đại. Tuy nhiên gần đây, bạc lại được tái quan
tâm vì có phổ sát khuẩn rộng. Đặc biệt, khi nó được sử dụng chung với alginate,
một loại polymer sinh học tự nhiên chiết xuất từ rong biển. Một số sản phẩm bạc
alginate được điều chế nhằm ngăn ngừa việc nhiễm khuẩn trong quá trình điều
trị vết thương, đặc biệt là đối với bệnh nhân phỏng. Ngày này nano bạc còn
được ứng dụng rất nhiều trong các sản phẩm y tế ví dụ như: Găng tay kháng
khuẩn, khẩu trang kháng khuẩn, các loại vải kháng khuẩn trong bệnh viện...
1.3.2.2. Vật dụng, trang thiết bị
Samsung đưa ra loại máy giặt có lần xả cuối cùng chứa ion bạc để có thể
giúp áo quần kháng khuẩn trong nhiều ngày. Kohler đã giới thiệu một dòng sản
phẩm bồn cầu có phủ ion bạc để diệt khuẩn.
Hình 1.15. Ứng dụng của nano bạc vào thiết bị công nghệ.
1.3.2.3. Xử lý môi trường: Màng lọc nước thải nano bạc
Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng công nghệ
nano bạc cho việc xử lý nước thải, xử lý những ô nhiễm nguồn nước do nước
thải sinh hoạt và các khu công nghiệp
Bạc hạn chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc, giảm mùi hôi và
giảm thiểu rủi ro nhiễm khuẩn và nấm. Áo quần, nhất là tất vớ có sử dụng bạc
giúp chúng có thể sử dụng nhiều ngày hơn mà ít bị bốc mùi.
25

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất và dụng cụ
2.1.1. Thiết bị
- Cân phân tích;
- Các dụng cụ đo lấy mẫu chính xác: pipet, micropipet, nhiệt kế…;
- Máy đo độ pH;
- Máy khuấy từ gia nhiệt;
- Máy rung siêu âm;
- Máy quay li tâm;
- Bộ đèn LED ánh sáng xanh.
2.1.2. Hóa chất
- Silver nitrate AgNO3
- Tri-natriumcitrat-dihydrat (C6H5Na3O7.2H2O) (TSC)
- Sodium borohydride NaBH4
- Natri hiđroxit NaOH ( 10mM)
- Nước cất H2O
Các hóa chất được sử dụng trực tiếp từ nhà sản xuất, không chưng cất lại.
2.2.. Chế tạo hạt nano bạc bằng phương pháp quang hóa (Chiếu bằng đèn
LED)
2.2.1. Chuẩn bị
- Chuẩn bị hóa chất, dụng cụ: Rửa sạch các chai lọ, đồ dùng để dùng đựng
mẫu và làm thực nghiệm có sử dụng máy rung siêu âm làm sạch. Chuẩn hóa các
dụng cụ đo như cân điện tử chính xác, máy đo độ pH…
- Cân hóa chất và pha chế các dung dịch theo đúng nồng độ và tỷ lệ yêu cầu.
26

Bảng 2.1: Danh mục dung dịch các hóa chất dùng trong thực nghiệm
Nồng độ Thể tích
STT Hóa chất dung dịch dung dịch Ghi chú
(mM) (ml)
1 Silver nitrate AgNO3 2,5 mM 10
Pha trộn với
Tri-natriumcitrat-
2
dihydrat
2,5 mM 10
nước cất theo
(C6H5Na3O7.2H2O) tỷ lệ chính xác
(TSC)
3
Sodiumborohydride
10 mM 10
Được giữ ở
NaBH4 nhiệt độ 00
C
4 Natri hiđroxit NaOH 10 mM 10
2.2.2. Các bước tiến hành thực nghiệm
Quá trình chế tạo hạt nano bạc hình thù khác nhau bằng phương pháp
quang hóa gồm có 2 bước cơ bản:
Bước 1: Tạo mầm
- Chuẩn bị nước cất 100ml H2O cho vào bình cầu đã được làm sạch. Thêm
2ml dung dịch AgNO3 (2,5 mM) + 4 ml dung dịch TSC (2,5 mM). Cho vào hộp
xốp đá lạnh và khuấy từ trong thời gian 30 phút. Sau một giờ nhỏ giọt từ từ
0,2ml dung dịch NaBH4 (10 mM) được giữ lạnh ở 00
C. Khuấy từ 60 phút.
27

Hình 2.1. Sơ đồ tạo mầm.
Bước 2: Chiếu LED lên mầm đã tạo theo các thời gian chiếu khác
nhau.
- Lấy 20 ml mầm đã tạo đựng trong lọ thủy tinh sau đó dùng hệ thống
chiếu LED gồm 7 đèn LED ánh sáng xanh để chiếu và thu được các mẫu theo
các thời gian chiếu khác nhau
28

Hình 2.2. Hệ thống chiếu LED tạo hạt nano bạc.
2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến quá trình hình
thành hạt nano bạc.
Như đã miêu tả trong Chương 1, hình thái bề mặt của các hạt nano bạc
phụ thuộc vào các yếu tố tham gia quá trình phản ứng tạo và phát triển hạt mầm
bạc như: nồng độ ion Ag+
, hoạt động bề mặt, thời gian chiếu LED, loại chất
khử, nồng độ chất khử, độ pH, vận tốc khuấy từ. Trong luận văn này, chúng tôi
sử dụng quy trình chế tạo hạt nano bạc có hình thù khác nhau với chất khử
Sodium borohydride NaBH4. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng
đến quá trình hình thành hạt như nồng độ chất khử, thời gian chiếu LED, độ pH.
2.2.3.1. Thay đổi độ pH dung dịch mầm
Khảo sát chế tạo các hạt nano bạc hình dạng khác nhau với sự thay đổi độ
pH của dung dịch mầm theo như bảng sau:
29

Bảng 2.2: Thay đổi độ pH của dung dịch mầm
Dung dịch TSC Dung dịch Dung dịch
H2O
AgNO3 (N3C6H5O7) NaBH4 NaOH
Mầm pH
(ml)
C V C V C V C V
(mM) (ml) (mM) (ml) (mM) (ml) (mM) (ml)
S1 100 2,5 2 2,5 4 10 0,2 0 0 6.0
S2 100 2,5 2 2,5 4 10 0,2 10 0,2 7.4
S3 100 2,5 2 2,5 4 10 0,2 10 0,3 8.5
S4 100 2,5 2 2,5 4 10 0,2 10 0,4 9.4
2.2.3.2. Thay đổi nồng độ chất khử NaBH4 dung dịch mầm
Khảo sát chế tạo các hạt nano bạc hình dạng khác nhau với sự thay đổi
nồng độ chất khử NaBH4 của dung dịch mầm theo như bảng sau:
Bảng 2.3: Thay đổi nồng độ chất khử NaBH4 của dung dịch mầm
Dung dịch TSC Dung dịch Dung dịch
Mầm
H2O AgNO3 (N3C6H5O7) NaBH4 NaOH
t0
C pH
(ml) C V C V C V C V
(mM) (ml) (mM) (ml) (mM) (ml) (mM) (ml)
S5 50 2,5 2 2,5 4 10 0,1 10 0,2 0 7,4
S6 50 2,5 2 2,5 4 10 0,2 10 0,2 0 7,4
S7 50 2,5 2 2,5 4 10 0,3 10 0,2 0 7,4
S8 50 2,5 2 2,5 4 10 0,4 10 0,2 0 7,4
S9 50 2,5 2 2,5 4 10 0,5 10 0,2 0 7,4
2.2.3.3. Thay đổi thời gian chiếu LED, nhiệt độ
Khảo sát quá trình hình thành các hạt nano bạc hình dạng khác nhau với
sự thay đổi của thời gian chiếu LED và nhiệt độ theo bảng sau:
30

Bảng 2.4: Thay đổi thời gian chiếu LED với mẫu pH=6,0
Nhiệt
Thời gian
Mẫu Mầm Độ pH Thể tích chiếu
độ
LED
M1 S1 6,0 20 (ml) 800
C 0,5h
M2 S1 6,0 20 (ml) 800
C 1h
M3 S1 6,0 20 (ml) 800
C 1,5h
M4 S1 6,0 20 (ml) 800
C 2h
M5 S1 6,0 20 (ml) 800
C 2,5h
M6 S1 6,0 20 (ml) 800
C 3h
M7 S1 6,0 20 (ml) 800
C 3,5h
M8 S1 6,0 20 (ml) 800
C 4h
M9 S1 6,0 20 (ml) 800
C 5h
M10 S1 6,0 20 (ml) 800
C 6h
M11 S1 6,0 20 (ml) 800
C 7h
M12 S1 6,0 20 (ml) 800
C 8h
M13 S1 6,0 20 (ml) 800
C 9h
M14 S1 6,0 20 (ml) 800
C 10h
M15 S1 6,0 20 (ml) 800
C 12h

31

Mẫu Mầm Độ pH Thể tích
Nhiệt Thời gian
độ chiếu LED
M16 S2 7,4 20 (ml) 800
C 0,5h
M17 S2 7,4 20 (ml) 800
C 1h
M18 S2 7,4 20 (ml) 800
C 1,5h
M19 S2 7,4 20 (ml) 800
C 2h
M20 S2 7,4 20 (ml) 800
C 2,5h
M21 S2 7,4 20 (ml) 800
C 3h
M22 S2 7,4 20 (ml) 800
C 3,5h
M23 S2 7,4 20 (ml) 800
C 4h
M24 S2 7,4 20 (ml) 800
C 5h
M25 S2 7,4 20 (ml) 800
C 6h
M26 S2 7,4 20 (ml) 800
C 7h
M27 S2 7,4 20 (ml) 800
C 8h
M28 S2 7,4 20 (ml) 800
C 9h
M29 S2 7,4 20 (ml) 800
C 10h
M30 S2 7,4 20 (ml) 800
C 12h
32

Mẫu Mầm Độ pH Thể tích
Nhiệt Thời gian
độ chiếu LED
M31 S3 8,5 20 (ml) 800
C 0,5h
M32 S3 8,5 20 (ml) 800
C 1h
M33 S3 8,5 20 (ml) 800
C 1,5h
M34 S3 8,5 20 (ml) 800
C 2h
M35 S3 8,5 20 (ml) 800
C 2,5h
M36 S3 8,5 20 (ml) 800
C 3h
M37 S3 8,5 20 (ml) 800
C 3,5h
M38 S3 8,5 20 (ml) 800
C 4h
M39 S3 8,5 20 (ml) 800
C 5h
M40 S3 8,5 20 (ml) 800
C 6h
M41 S3 8,5 20 (ml) 800
C 7h
M42 S3 8,5 20 (ml) 800
C 8h
M43 S3 8,5 20 (ml) 800
C 9h
M44 S3 8,5 20 (ml) 800
C 10h
M45 S3 8,5 20 (ml) 800
C 12h
M46 S3 8,5 20 (ml) 800
C 36h
M47 S3 8,5 20 (ml) 800
C 76h
33

Nhiệt
Thời gian
Mẫu Mầm Độ pH Thể tích chiếu
độ
LED
M48 S4 9,4 20 (ml) 800
C 0,5h
M49 S4 9,4 20 (ml) 800
C 1h
M50 S4 9,4 20 (ml) 800
C 1,5h
M51 S4 9,4 20 (ml) 800
C 2h
M52 S4 9,4 20 (ml) 800
C 2,5h
M53 S4 9,4 20 (ml) 800
C 3h
M54 S4 9,4 20 (ml) 800
C 3,5h
M55 S4 9,4 20 (ml) 800
C 4h
M56 S4 9,4 20 (ml) 800
C 5h
M57 S4 9,4 20 (ml) 800
C 6h
M58 S4 9,4 20 (ml) 800
C 7h
M59 S4 9,4 20 (ml) 800
C 8h
M60 S4 9,4 20 (ml) 800
C 9h
M61 S4 9,4 20 (ml) 800
C 10h
M62 S4 9,4 20 (ml) 800
C 12h
34

Bảng 2.8: Thay đổi thời gian chiếu LED và thay đổi tỷ lệ nồng độ
[NaBH4]:[AgNO3]
Tỷ lệ nồng độ Thể
Nhiệt
Thời gian
Mẫu Mầm Độ pH [NaBH4] tích chiếu
độ
:[AgNO3] (ml) LED
M63 S5 7,4 5:1 20 400
C 1h
M64 S5 7,4 5:1 20 400
C 2h
M65 S5 7,4 5:1 20 400
C 3h
M66 S5 7,4 5:1 20 400
C 4h
M67 S6 7,4 5:2 20 400
C 1h
M68 S6 7,4 5:2 20 400
C 2h
M69 S6 7,4 5:2 20 400
C 3h
M70 S6 7,4 5:2 20 400
C 4h
M71 S7 7,4 5:3 20 400
C 1h
M72 S7 7,4 5:3 20 400
C 2h
M73 S7 7,4 5:3 20 400
C 3h
M74 S7 7,4 5:3 20 400
C 4h
M75 S8 7,4 5:4 20 400
C 1h
M76 S8 7,4 5:4 20 400
C 2h
M77 S8 7,4 5:4 20 400
C 3h
M78 S8 7,4 5:4 20 400
C 4h
M79 S9 7,4 5:5 20 400
C 1h
M80 S9 7,4 5:5 20 400
C 2h
M81 S9 7,4 5:5 20 400
C 3h
M82 S9 7,4 5:5 20 400
C 4h
35

2.3. Khảo sát tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc với khuẩn Escherichia
coli (E. coli) và Salmonella
Các mẫu nano bạc chế tạo được ở trên đem thử nghiệm kháng khuẩn với
chủng vi khuẩn Gram âm-vi khuẩn E. coli và vi khuẩn Salmonella. Các thí
nghiệm được tiến hành trên đĩa Petri đã được khử trùng. Phương pháp đục lỗ
được sử dụng để xác định đường kính vô khuẩn bởi đây là phương pháp dễ thực
hiện và phù hợp với điều kiện trong phòng thí nghiệm. Các bước tiến hành thí
nghiệm:
Phương pháp đục lỗ được tiến hành trong box nuôi cấy:
3 mL môi trường nuôi dưỡng được đổ vào các đĩa Petri vô trùng (như một
lớp cơ bản). Lấy 15 μL dịch huyền phù của chủng vi khuẩn để thử nghiệm có số
lượng khoảng 79 tế bào nhỏ trên bề mặt của môi trường của đĩa và trải đều trên
bề mặt đến khi khô bằng que trang thủy tinh vô trùng.
Hình 2.3. Thử nghiệm diệt khuẩn E. coli và Salmonella bằng hạt nano bạc.
2.4. Các phương pháp khảo sát đặc trưng của vật liệu
2.4.1. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
TEM là một thiết bị hữu ích trong việc nghiên cứu hình dạng, kích thước
thực và sự phân bố của các hạt nano thông qua việc chụp ảnh các hạt nano.
Nguyên tắc hoạt động của TEM là nhờ vào sự truyền qua mẫu (rất mỏng)
của một chùm điện tử. Khi chùm điện tử truyền qua mẫu, tương tác với mẫu và một
ảnh được tạo ra từ tương tác đó. Ảnh được khuếch đại nhờ các thấu kính điện tử và
hội tụ trên một thiết bị thu ảnh như màn huỳnh quang, phim quang học, hay
36

có thể ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số. Độ tương phản trên ảnh TEM
chủ yếu phụ thuộc vào khả năng tán xạ điện tử của vật liệu.
Các ảnh TEM nhận được trên thiết bị JEM1010 (JEOL) của Viện Vệ sinh
Dịch tễ Trung ương. Các mẫu chụp TEM được chuẩn bị bằng cách nhỏ dung
dịch chứa các hạt nano bạc lên một lưới đồng phủ carbon và sau đó để bay hơi
tự nhiên. Các lưới đồng đã chuẩn bị được sấy khô trong chân không khoảng một
giờ trước khi đo.
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua.
2.4.2. Nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng rất phổ biến để xác định, phân
tích cấu trúc tinh thể và khảo sát độ sạch pha của vật liệu. XRD là hiện tượng
chùm tia X bị nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của vật rắn do tính tuần hoàn của
cấu trúc tinh thể. Khi chiếu chùm tia X vào tinh thể thì các nguyên tử trở thành
tâm phát sóng thứ cấp. Do sự giao thoa của các sóng thứ cấp, biên độ của các
sóng đồng pha sẽ được tăng cường trong khi đó các sóng ngược pha sẽ triệt tiêu
nhau, tạo nên ảnh nhiễu xạ với các đỉnh cực đại và cực tiểu. Điều kiện nhiễu xạ
được xác định từ phương trình Bragg (Hình 2.5):
2d hkl sin n (2.1)
37

Trong đó d là khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng tinh thể, n= 1,2,3…
là số bậc phản xạ, là góc tới và là bước sóng của tia X.
Giản đồ XRD của các mẫu chế tạo được thực hiện trên hệ nhiễu xạ kế tia X
sử dụng nhiễu xạ kế D5000 (Siemens) với nguồn tia X là Cu Kα có bước sóng
1,5406 Å, có khả năng phân giải 0,010
với thời gian đếm xung tùy chọn được
đặt tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Hình 2.5. Minh họa về mặt hình học của định luật nhiễu xạ Bragg.
Các hạt nano bạc trong luận văn được chế tạo bằng phương pháp hóa học
trong nước, vì thế để đo XRD của các hạt nano này thì ta cần chuyển chúng
thành dạng bột. Các hạt nano Ag sẽ được ly tâm làm sạch, sau đó được lấy ra
sấy khô và được ép chặt trên đế thủy tinh. Nói chung, tín hiệu XRD của NC là
yếu, vì vậy khi đo cần một tốc độ quét chậm.
2.4.3. Phổ hấp thụ
Tất cả các hợp chất hoá học đều tương tác với bức xạ điện từ và làm giảm
cường độ của chùm bức xạ [9]. Phổ hấp thụ dựa trên việc đo độ giảm của cường
độ bức xạ đi qua mẫu cần phân tích là một lĩnh vực quan trọng của hoá học phân
tích. Dải điện từ được sử dụng để phân tích thường dùng có bước sóng nằm
trong vùng khả kiến và tử ngoại (UV – Vis = ultraviolet visible).
Khi ánh sáng truyền qua mẫu, một phần bị phản xạ, một phần bị truyền
qua và một phần bị tán xạ, hấp thụ trong mẫu. Đo tỉ số cường độ ánh sáng truyền
qua, phản xạ so với ánh sáng tới, tương ứng ta có thể xác định được độ truyền
qua (T), phản xạ (R) và suy ra độ hấp thụ (A): A + T + R =1. Với vật liệu kim
loại, phổ hấp thụ luôn xuất hiện đỉnh cộng hưởng plasma đặc trưng .
38

Hình 2.6 trình bày sơ đồ của phép đo phổ hấp thụ với mẫu dung dịch và mẫu
truyền qua nói chung. Ánh sáng từ đèn được chiếu trực tiếp vào mẫu, ánh sáng
truyền qua mẫu được đưa qua một bộ chọn bước sóng trước khi được khuếch đại
rồi đưa ra máy phân tích. Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng truyền qua vào bước
sóng sẽ được ghi lại và chúng ta thu được phổ truyền qua của mẫu.
Hình 2.6. Sơ đồ hệ đo phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến.
Nguồn bức xạ thường được dùng là đèn hiđrô, đèn đơtri, đèn thuỷ ngân…
Máy đơn sắc có thành phần chính là lăng kính hoặc cách tử nhiễu xạ có tác dụng
tạo ra dải sóng hẹp, gần như đơn sắc. Máy phân tích có tác dụng đổi tín hiệu
quang thành tín hiệu điện và hiển thị thông tin lên màn hình máy tính.
Cường độ của chùm bức xạ sau khi đi qua dung dịch tuân theo định luật
Beer – LamBert: I = I0. exp(-klC), do đó mật độ quang (cường độ hấp thụ) A =
lg(I0/I) tỉ lệ thuận với nồng độ dung dịch và bề dày lớp dung dịch mà chùm bức
xạ đi qua.
Hình 2.7. Mô tả định luật Lambert-Beer.
Đầu tiên chuẩn bị mẫu trắng (blank) là nước cất.
Mẫu nghiên cứu được hòa tan trong dung môi tạo dung dịch có nồng độ
thích hợp.
Chọn chế độ cần đo (đo dải sóng từ 200 nm tới 800 nm)
Cho mẫu trắng vào cuvet cho vào buồng mẫu của máy để đo blank chuẩn
máy. Sau đó cho dung dịch mẫu đã chuẩn bị vào một cuvet khác cho vào máy để
39

đo. Trên máy sẽ cho ta kết quả phổ đồ của phổ tử ngoại – khả kiến của mẫu
nghiên cứu.
Hình 2.8. Sơ đồ hệ đo hấp thụ quang UV-Vis.
Phổ hấp thụ của các mẫu trong luận văn được đo trên thiết bị UV-Vis hai
chùm tia Jasco V530 tại Khoa Môi Trường và Trái Đất-Trường Đại học Khoa học –
Đại học Thái Nguyên. Thiết bị này cho phép đo phổ từ 200nm đến 1100nm.
40

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Phổ hấp thụ của hạt nano bạc (AgNPs)
Để khảo sát tính chất quang của các hạt AgNPs sau khi chế tạo, phương
pháp phổ hấp thụ UV-Vis được lựa chọn. Như trong Chương 2 đã trình bày, các
đĩa nano bạc dạng tam giác được chế tạo 2 giai đoạn, gồm giai đoạn tạo mầm và
giai đoạn phát triển mầm dưới sự kích thích của LED xanh lá. Từ kết quả đo phổ
hấp thụ của AgNPs trong Hình 3.1 cho thấy, đối với các mầm nano chỉ có duy
nhất một đỉnh plasmon ở bước sóng 401 nm. Điều này chứng tỏ dung dịch hạt
mầm có dạng cầu và kích thước nhỏ (khoảng 8-10 nm) và dung dịch chứa mầm
AgNPs có mầu vàng nhạt (như ảnh TEM và ảnh chụp được đính kèm trong
hình). Các đường mầu đỏ và mầu xanh dương là phổ hấp thụ plasmon của các
AgNPs sau khi chiếu LED 2h và 5h tương ứng. Quan sát trên hình thấy rằng, cả
hai phổ này đều xuất hiện thêm hai đỉnh hấp thụ tại 332 nm (đối với mẫu
LED_2h và LED_5h), đỉnh 401 nm (đối với mẫu LED_2h), đỉnh hấp thụ 661 nm
(đối với mẫu LED_5h), đỉnh 645 nm (đối với mẫu LED_2h) và đỉnh 817 nm
(đối với mẫu LED_5h).
Hình 3.1. Phổ hấp thụ plasmon của các hạt AgNPs sau khi được chế tạo bằng
phương pháp cảm quang dưới sự kích thích của LED (mẫu có pH=9,4) gồm:
mầm, hạt AgNPs sau khi chiếu LED 2h và 5h.
41

Kết quả phổ hấp thụ này chứng tỏ, sau khi chiếu LED được 2h và 5h thì hình
dạng của các hạt AgNPs bị thay đổi so với mầm ban đầu (dạng cầu). Các mẫu này
sau khi được đo bởi kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) thấy rằng có các hạt đĩa
nano bạc dạng tam giác và dạng tam giác cụt ở góc. Hiện tượng quan sát được phù
hợp với một số đã công bố trong vài năm gần đây [23]–[26] . Dung dịch chứa hai
mẫu này có mầu xanh lá và xanh lục đậm tương ứng (ảnh đính kèm trong hình).
Kết quả của sự xuất hiện phổ hấp thụ này chỉ ra rằng: ở cùng một công suất LED
chiếu các hạt AgNPs có số bậc đối xứng giảm khi số đỉnh phổ hấp thụ tăng [24].
Điều này được giải thích rằng: trong quá trình chế tạo mầm, citrate đóng vai trò rất
quan trọng trong sự phát triển và ổn định của nano bạc. Khi chiếu sáng bằng LED,
các hạt mầm AgNPs hấp thụ ánh sáng tạo ra dao động plasmon bề mặt kích thích
phản ứng hóa học của citrate. Từ đó dẫn đến các phân tử citrate trên bề mặt hạt
nano bạc bị oxi 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. Do đó, hạt mầm sẽ được phát triển có kích thước lớn hơn. Khi có năng
lượng photon chiếu đến, phản ứng bắt đầu diễn ra, các hạt mầm hình cầu hấp thụ
ánh sáng đẳng hướng tạo nên các dao động plasmon lưỡng cực. Nếu tiếp tục chiếu
sáng, khi đó ánh sáng kích thích sẽ ưu tiên kích thích plasmon dao động lưỡng cực
dọc. Dao động lưỡng cực dọc ưu tiên phát triển theo những góc. Do đó, các hạt
hình cầu phát triển dị hướng dẫn đến sự hình thành các dạng nano đĩa tam giác. Khi
đó trên phổ hấp thụ sẽ xuất hiện nhiều hơn 1 đỉnh hấp thụ plasmon. Đỉnh phổ có
cường độ thấp ở bước sóng 332 nm là đặc trưng cho hấp thụ bề dày của đĩa. Trên
Hình 3.1, các chế độ kích thích plasmon tương ứng cho mỗi đỉnh hấp thụ của dung
dịch cũng được thể hiện rõ. Ba đỉnh đặc trưng tương ứng với các chế độ kích thích
plasmon khác nhau của các nano hình tam giác [24]. Hai đỉnh phổ nằm ở 332 nm
và 645 nm đối với mẫu LED_2h là do cộng hưởng tứ cực ngoài mặt phẳng và cộng
hưởng lưỡng cực trong mặt phẳng, tương ứng. Đỉnh ở bước sóng 400 nm là kết quả
của sự hình thành các hạt nano dị hướng và nó được gán cho sự cộng hưởng tứ cực
mặt phẳng trong của các đĩa nano. Ba chế độ kích thích plasmon này phù hợp với
cấu trúc của hình tam giác dạng đĩa được thể hiện trong
42

hình ảnh TEM quan sát được (Hình 3.2). Cũng trong mẫu này, khi tăng thời gian
chiếu LED thì cực đại hấp thụ ở 401 nm có xu hướng giảm cường độ và đỉnh phổ
hấp thụ plasmon ở bước sóng 645 nm tăng lên. Điều này chứng tỏ kích thước hạt
nano tăng và sự hình thành hạt nano dạng tam giác càng rõ dệt. Hiện tượng này còn
được quan sát rõ ràng hơn đối với mẫu đó nhưng thời gian chiếu LED dài hơn (5h).
Đường phổ hấp thụ mầu xanh lục cho thấy rõ đỉnh phổ dịch hẳn về phía sóng dài.
Cực đại hấp thụ plasmon ở bước sóng 645 nm bị biến mất hoàn toàn thay vào đó là
cực đại hấp thụ ở 661 nm, và đỉnh phổ thứ ba dịch đến 817 nm. Đây là bước sóng
nằm trong vùng hồng ngoại gần, nó có tính chất quang nhiệt rất cao và có thể dùng
để nghiên cứu hiệu quang nhiệt trong liệu pháp nhiệt trong y-sinh. Khi quan sát
dưới ảnh TEM tương ứng thì cho thấy các đĩa nano bạc dạng tam giác bị cụt 3 góc
(ảnh TEM được thêm vào trong Hình 3.1). Từ kết quả đo đạc và quan sát này cho
thấy thời gian chiếu LED có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành kích thước và
hình dạng của hạt AgNPs. Bằng cách điều khiển thời gian chiếu có thể tạo ra được
các hạt nano bạc có phổ hấp thụ như mong muốn.
3.2. Hình thái và kích thước hạt
Để xác định hình thái và kích thước của các AgNPs sau chế tạo, một số mẫu
được đo bởi TEM. Đối với các mẫu mầm sau khi chế tạo có dạng tựa cầu, đơn phân
tán và có kích thước khá đồng đều. Điều này cũng đã được thể hiện trên Hình 3.1
về phổ hấp thụ plasmon. Điều này chứng tỏ sau phản ứng tạo khử Ag+
thành Ag0
,
các hạt nano được bọc bởi một lớp citrate. Lớp này đóng vai trò rất tốt làm tác nhân
ổn định. Hình 3.2 biểu diễn hình ảnh của các hạt nano bạc mầm và đĩa nano dạng
tam giác chụp bởi TEM. Hình 3.2 a và b là ảnh TEM của các mầm AgNPs với tỷ lệ
nồng độ [NaBH4]:[AgNO3]=5:1, và 100 µl TSC (2,5 mM) với các độ phóng đại
khác nhau. Hình 3.2 d là phân bố kích thước hạt của các AgNPs sau khi tạo mầm
tương ứng với hình b. Từ phân bố này cho thấy, các mầm dạng tựa cầu có kích
thước tập trung khoảng 10-15 nm. Khi chiếu LED (λ~532 nm) với công suất 0,51
mW/cm2
trong 2h, các mầm phát triển thành các dạng đĩa tam giác. Theo như công
bố của nhóm Q. Zhang và các cộng sự 2011 [27], các hạt nano bạc được hình thành
trong giai đoạn đầu bởi vì các ion citrate có thể gắn kết ưu tiên
43

với các mặt (111), do đó hạt nhân bạc có dạng tấm và có độ ổn định tương đối
cao. Một khả năng khác là sự kết hợp giữa hạt gây ra bởi sự kích thích của ánh
sáng [25]. Khi ánh sáng chiếu xạ trên hạt bạc, trường điện từ (EM) cục bộ mạnh
bao quanh các hạt có thể gây ra sự kết dính của hạt. Một khi sự kết hợp chính
được hình thành, trường EM trong mặt phẳng đặc biệt, sẽ mạnh hơn hướng
vuông góc do sự tương tác giữa SPR lưỡng cực và ánh sáng, sẽ gây ra sự tăng
trưởng hai chiều, do đó tạo ra các cấu trúc nano dạng tấm phẳng. Trên Hình 3.2
c và e cho thấy ảnh chụp TEM của các đĩa dẹt AgNPs dạng tam giác với độ
phóng đại khác nhau. Kích thước của các cạnh đĩa thay đổi theo thời gian chiếu
LED và nó phụ thuộc vào một số tham số công nghệ chế tạo mẫu. Một số đĩa
AgNPs có cạnh dài nhất 41 nm (dùng phần mềm ImageJ để đo kích thước).
Quan sát trên Hình 3.2 e thấy rằng, xuất hiện một số đĩa AgNPs tam giác mất
góc, điều này có thể giải thích thích là: đối với các đĩa nhận được trực tiếp năng
lượng photon chiếu trực tiếp trong thời gian dài và 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 đĩa tam giác bị chậm lại. Điều này là do năng lượng photon
không còn kích thích kích thích dao động lưỡng cực dọc nữa. Do đó, nếu tiếp tục
nhận được năng lượng tới thì ánh sáng kích thích dao động tứ cực trên mặt
phẳng đĩa làm cho kích thích đĩa lớn hơn trong khi quá trình phát triển chóp rất
chậm dẫn đến sự hình thành các đĩa tam giác cụt (Hình 3.2f). Trên thực tế rất
khó có thể quan sát đầy đủ các khía cạnh của đĩa nano AgNPs vì chúng luôn có
xu hướng tựu sắp xếp chồng lấn lên nhau trong khi chuẩn bị mẫu đo TEM.
44

Hình 3.2. Hình thái kích thước hạt AgNPs được chế tạo bằng phương pháp
cảm quang dưới chiếu sáng đèn LED trong 2h. (a), (b) - Ảnh TEM của các hạt
AgNPs mầm ở các độ phóng đại khác nhau. (d) – là phân bố mật độ kích thước
hạt của hình (b). (c)- Ảnh TEM của các hạt đĩa AgNPs dạng tam giác. (f)- Ảnh
TEM phóng to của 2 đĩa AgNPs dạng tam giác.
45

3.3. Phân tích cấu trúc
Để xác định cấu trúc tinh thể của các AgNPs sau chế tạo được đo phổ nhiễu
xạ tia X tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả Hình 3.3 xác nhận rằng,
mẫu mầm (đường mầu đỏ) chế tạo được ([NaBH4]:[AgNO3]=5:1, và 100 µl TSC
(2,5 mM) ) có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC), có các mặt tinh thể (111), (200),
(220) và (311) tương ứng với các đỉnh nhiễu xạ ở các góc 2 theta: 37,93; 44,23;
65,07 và 76,97. Điều này chứng tỏ hạt nano chế tạo được là nano bạc [28]. Đường
mầu đen trên Hình 3.3 là phổ nhiễu xạ tia X của đĩa nano tại mặt (220) và
(311) bị dịch đến vị trí góc 63,98o
và 77,29o
tương ứng, thay vì ở vị trí góc 2 theta
65,07o
và 76,7o
như trong trường hợp mầm. Tuy nhiên, nó vẫn thuộc dạng cấu
trúc lập phương tâm mặt (được so sánh với thẻ pdf số 04-0783). Điều này có thể
được giải thích là khi các hạt mầm nhận được photon chiếu tới, chúng hấp thụ
năng lượng này để ưu tiên phát triển hạt theo các hướng (111) và còn một phần
năng lượng chuyển thành nhiệt dao động của mạng tinh thể làm méo mạng dẫn
đến hai mặt (220) và (311) bị dịch đi so với mầm (dạng cầu).
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với [NaBH4]:[AgNO3]=5:1,
và 100 µl TSC (2,5 mM). Đường mầu đỏ là thể hiện của mầm và đường mầu đen
là của đĩa nano dạng tam giác sau khi chiếu LED trong 2h.
3.4. Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến chất lượng mẫu
Trong thực tế, để điều khiển kích thước và hình dạng AgNPs thì cần điều
chỉnh các tham số chế tạo mẫu. Tuy nhiên, trong phương pháp cảm quang để tạo
46

Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng Dụng Trong Diệt Khuẩn.doc

Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng Dụng Trong Diệt Khuẩn.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng Dụng Trong Diệt Khuẩn.doc

Similar to Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng Dụng Trong Diệt Khuẩn.doc (20)

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149

More from DV Viết Luận văn luanvanmaster.com ZALO 0973287149 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Chế Tạo Và Nghiên Cứu Tính Chất Quang Của Các Hạt Nano Bạc Nhằm Ứng Dụng Trong Diệt Khuẩn.doc