Luận văn Tổng hợp và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của Ag kích thước Nanomet

Nội dung tài liệu: Luận văn Tổng hợp và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của Ag kích thước Nanomet

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN ĐÌNH ĐẠT TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN, KHÁNG NẤM CỦA Ag KÍCH THƯỚC NANOMET LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN ĐÌNH ĐẠT TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN, KHÁNG NẤM CỦA Ag KÍCH THƯỚC NANOMET Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRỊNH NGỌC CHÂU Hà Nội – Năm 2014
3. LỜI CÁM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đối với PGS-TS. Trịnh Ngọc Châu, Bộ môn Hóa vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội và TS Nguyễn Thi Bích Hường – Giảng viên Học Viện Hậu Cần đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn tới quý thầy cô trong khoa Hóa, cũng như ban lãnh đạo trường Đại học KHTN - ĐHQGHN đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ cho tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô quản lý phòng thí nghiệm bộ môn Hóa vô cơ, khoa Hóa học trường Đại học KHTN - ĐHQGHN đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn.
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 3 1.1. Khái quát về hạt nano .................................................................................... 3 1.2. Hạt nano kim loại - bạc nano ........................................................................ 5 1.2.1. Giới thiệu về bạc nano .............................................................................. 5 1.2.2. Tính chất của hạt bạc nano ...................................................................... 5 1.2.3. Các phương pháp chế tạo hạt bạc nano .................................................... 8 1.2.3.1. Phương pháp bay hơi vật lý .................................................................. 9 1.2.3.2. Phương pháp ăn mòn laze ..................................................................... 9 1.2.3.3. Phương pháp hóa siêu âm .................................................................... 9 1.2.3.4. Phương pháp khử hóa học .................................................................. 10 1.2.4. Các phương pháp vật lý nghiên cứu cấu trúc hạt bạc nano...................... 12 1.2.4.1. Phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) .......................................... 12 1.2.4.2. Ảnh TEM .......................................................................................... 14 1.2.4.3. Ảnh FE-SEM .................................................................................... 15 1.2.4.4. Phổ hấp thụ nguyên tử ....................................................................... 15 1.2.5. Đặc tính kháng khuẩn của bạc ................................................................ 18 1.2.5.1. Cơ chế kháng khuẩn của bạc nano ..................................................... 18 1.2.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn của keo bạc nano ...... 20 1.2.6. Ứng dụng của hạt bạc nano .................................................................... 20 1.3. Khái quát về vi khuẩn .................................................................................. 24 1.4. Khái quát về nấm mốc .................................................................................. 24 Chương 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................... 26 2.1. Chế tạo dung dịch keo bạc nano .................................................................. 26 2.1.1. Hoá chất ................................................................................................. 26 2.1.2. Vải dùng trong nghiên cứu ...................................................................... 26 2.1.3. Vi khuẩn và hóa chất cho thử nghiệm vải kháng khuẩn ............................ 26
5. 2.1.4. Các máy móc thiết bị, dụng cụ ................................................................. 27 2.2. Phương pháp điều chế .................................................................................. 28 2.3. Kỹ thuật thực nghiệm ................................................................................... 30 2.3.1. Phổ tử ngoại – khả kiến (UV-VIS) ........................................................... 30 2.3.2. Chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM .............................. 30 2.3.3. Phổ hấp thụ nguyên tử AAS ..................................................................... 31 2.3.4. Chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét FE – SEM ............................... 32 2.4. Thử hoạt tính sinh học của vải tẩm keo bạc nano ...................................... 33 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 36 3.1. Điều chế dung dịch keo bạc nano ................................................................. 36 3.1.1. Chọn chất bảo vệ ..................................................................................... 36 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp gia nhiệt ...................................... 37 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của công suất lò vi sóng .......................................... 38 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt ............................................ 39 3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ chất bảo vệ và bạc nitrat ( AgNO3:PVP ) .. 42 3.1.6. Khảo sát độ bền của dung dịch keo bạc nano theo thời gian ................... 45 3.2. Kết quả chụp SEM các mẫu vải .................................................................. 47 3.3. Kết quả xác định hàm lượng bạc nano bằng phương pháp AAS .............. 49 3.4. Kết quả thử hoạt tính sinh học .................................................................... 49 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 56 Tiếng Việt .......................................................................................................... 56 Tiếng Anh .......................................................................................................... 57 Internet .............................................................................................................. 59
6. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Plasmon bề mặt của kim loại ................................................................. 6 Hình 1.2: Dao động của đám mây electron khi bị chiếu sáng ................................ 7 Hình 1.3: Công thức cấu tạo PVP ......................................................................... 11 Hình 1.4: Cơ chế ổn định hạt bạc nano của PVP ................................................... 12 Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo UV-VIS. ............................................ 13 Hình 1.6: Sơ đồ nguyên tắc của một máy đo quang phổ hấp thụ nguyên tử............ 16 Hình 1.7: Tác động của ion bạc lên vi khuẩn ....................................................... 19 Hình 1.8: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn ..................... 19 Hình 1.9: Ion bạc liên kết với các base của DNA ................................................. 19 Hình 1.10: Bình sữa bạc nano và tất bạc nano ..................................................... 22 Hình 1.11: Các sản phẩm gia dụng có khả năng kháng khuẩn ............................ 23 Hình 1.12: Các loại khẩu trang bạc nano ............................................................. 23 Hình 2.1: Vải may lễ phục, quân phục ................................................................... 26 Hình 2.2: Hình ảnh máy khuấy từ và lò vi sóng điều chế dung dịch keo nano Ag ... 28 Hình 2.3: Máy quang phổ UV-VIS ......................................................................... 30 Hình 2.4: Kính hiển vi điện tử truyền qua ............................................................. 31 Hình 2.5: Mẫu vải thí nghiệm và vải ngâm trong dung dịch dịch keo bạc nano ..... 31 Hình 2.6: Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử theo phương pháp không ngọn lửa.. 32 Hình 2.7: Kính hiển vi điện tử quét ....................................................................... 33 Hình 2.8: Dung dịch keo bạc nano pha chế được và các mẫu vải đã cắt nhỏ ........ 35 Hình 3.1: Dung dịch keo bạc nano điều chế được với chất bảo về PVP và SDS ..... 36 Hình 3.2: Trình bày sự hình thành các hạt kim loại Ago qua từng giai đoạn. ........ 37 Hình 3.3: Dung dịch keo bạc nano điều chế trên bếp khuấy từ .............................. 37 Hình 3.4: Dung dịch keo bạc nano điều chế trong lò vi sóng ................................. 37 Hình 3.5: Các dung dịch keo bạc nano điều chế được .......................................... 39 Hình 3.6: Các dung dịch keo bạc nano điều chế trong những thời gian gia nhiệt . 40 Hình 3.7:Phổ UV-vis của các mẫu keo bạc nano khảo sát theo thời gian .............. 41 Hình 3.9: Các dung dịch keo bạc nano điều chế theo tỉ lệ AgNO3:PVP khác nhau 43 Hình 3.10: Phổ UV-vis các dung dịch khảo sát theo tỉ lệ AgNO3:PVP .................. 43 Hình 3.11: Kết quả chụp TEM mẫu 1c và giản đồ phân bố kích thước hạt ............. 44 Hình 3.12: Kết quả chụp TEM mẫu 3c và giản đồ phân bố kích thước hạt ............ 44 Hình 3.13: Hình ảnh dung dịch keo bạc nano theo thời gian ................................. 45 Hình 3.14: Sơ đồ quy trình điều chế keo bạc nano ................................................. 46 Hình 3.15: Ảnh mẫu vải 1 chưa tẩm dung dịch keo bạc nano ................................ 47 Hình 3.16: Ảnh mẫu vải 1 đã tẩm dung dịch keo bạc nano .................................... 47 Hình 3.17: Ảnh mẫu vải 2 chưa tẩm keo bạc nano ................................................. 48 Hình 3.18: Ảnh mẫu vải 2 tẩm dung dịch keo bạc nano ......................................... 48 Hình 3.19: Kết quả thử hoạt tính sinh học của mẫu vải 1 ...................................... 50 Hình 3.20: Kết quả thử hoạt tính sinh học mẫu vải 2 ............................................. 52
7. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. 8 Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu ................... 3 Bảng 1.2: Số nguyên tử và kích thước của hạt bạc nano ......................................... 5 Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng ............................................................................. 26 Bảng 2.2: Các thí nghiệm đã làm với chất bảo về PVP ở công suất lò 100W ......... 29 Bảng 2.3: Các thí nghiệm đã làm với chất bảo về PVP ở công suất lò 230W ......... 29 Bảng 3.1: Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của công suất của lò vi sóng .......... 38 Bảng 3.2: Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian gia nghiệt .................. 40 Bảng 3.3: Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ AgNO3:PVP .................... 42 Bảng 3.4: Hàm lượng bám dính của bạc nano trên hai mẫu vải .............................. 49 Bảng 3.5: Kết quả thử hoạt tính sinh học mẫu vải 1 tẩm dung dịch keo bạc nano . 51 Bảng 3.6: Kết quả thử hoạt tính sinh học mẫu vải 2 .............................................. 53
8. BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua FE-SEM Scanning transmission electron Kính hiển vi điện tử quét microscopy PVP Polyvinyl pyrolidone SDS Sodium dodecyl sunfate UV-VIS Ultraviolet–visible spectroscopy Phổ tử ngoại và phổ khả kiến VSV Vi sinh vật KHTN Khoa học tự nhiên ĐHQGHN Đại học Quốc Gia Hà Nội
9. MỞ ĐẦU Ngày nay trên thế giới cũng như trong nước, khoa học và công nghệ nano đang phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học khác nhau như điện tử, vật lý, hóa học, sinh học, y học, môi trường...trong đó nổi bật là các ứng dụng của nó trong các việc xử lý nhiễm khuẩn, không gây độc hại cho con người và không gây kích ứng da trong đó công nghệ bạc nano được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm. Bạc nano có rất nhiều tính chất khác hẳn với bạc khối như tính chất quang, từ, điện nhưng đặc trưng nhất của bạc nano là tính kháng khuẩn. Bạc nano có khả năng giết chết hơn 650 loại vi khuẩn khác nhau chỉ trong vòng một phút. Tất cả các vi khuẩn không bị lờn với kháng sinh bạc và vì thế, các hạt bạc nano không bị mất tác dụng. Ngoài ra, các hạt bạc nano cũng sẽ giúp tạo ra các oxygen hoạt tính từ trong không khí hoặc từ trong nước và từ đó phá hủy các màng tế bào của vi khuẩn. Các hạt bạc nano đã được đưa vào mọi chất dẻo và ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống. Bạc nano được đưa vào các polymer như polyetylen (PE), polypropylen (PP), các loại giấy, vải có khả năng giết chết nhiều loại vi khuẩn như Escherichia coli, Proteus mirabilis, Bacillus pumilus, Bacillus cereus, Aspergillussp Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng bạc nano như: tổng hợp keo bạc trong pha nước/dầu (Wanzhong Zhang, Xueliang Qiao, Jianguo Chen) ; chế tạo khẩu trang phẩu thuật chứa bạc nano với hiệu suất kháng khuẩn cao (Sougata Sarkar, Atish Dipankar Jana, Samir Kumar Samanta, Golam Mostafa); cơ chế kháng khuẩn của bạc nano (Y. Li, P. Leung, L. Yao, Q. w. Song, E. Newton); tổng hợp và khảo sát các tính chất lý hoá của hạt bạc nano trong cao su thiên nhiên (N. H. H. Abu Bakar, J. Ismail, M. Abu Bakar); sản xuất bạc nano ứng dụng trong dược phẩm (X. Chen, H. J. Schluesener); chế tạo màng lọc nước kháng khuẩn bằng mút xốp Polyurethane chứa bạc nano (Prashant Jain, T. Pradeep); hiệu quả tính kháng của dung dịch keo bạc nano lên vải sợi (H. J. Lee, S. Y. Yeo, S. H. Jeong); phân hủy nhiệt tạo ra hạt bạc nano (S. Navaladian, B. Viswanathan, R. P. Viswanath, T. K. Varadarajan). 1
10. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực nano trên thế giới, trong nước cũng có khá nhiều đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này tiêu biểu như: ứng dụng dung dịch keo bạc nano ngâm tẩm trên vật liệu polyurethan để xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn; chế tạo bạc nano trên nền cao su thiên nhiên bằng phương pháp khử hóa học; chế tạo hạt keo bạc nano trong PVP bởi tia gama (Bùi Duy Du, Đặng Văn Phú, Nguyễn Ngọc Duy, Nguyễn Thị Kim Lan, Võ Thị Kim Lang, Ngô Võ Kế Thành, Nguyễn Thị Phương Phong và Nguyễn Quốc Hiền); chế tạo màng lọc nước kháng khuẩn bằng mút xốp Polyurethane chứa bạc nano (Nguyễn Thị Phương Phong, Võ Kế Thành, Phan Huê Phương). Dung dịch keo bạc nano được điều chế với tiền chất là bạc nitrat, chất bảo vệ là polyvinyl pyroidone (PVP), chất khử là ethyleneglycol có sự hỗ trợ của nhiệt vi sóng. Đây là một phương pháp khá tiện lợi, đơn giản, thời gian phản ứng nhanh. Từ những ưu điểm của bạc nano cũng như tính hữu ích, sự khác biệt của phương pháp khử hóa học so với phương pháp khác đã thúc đẩy cho chúng tôi chọn đề tài: “Tổng hợp và nghiên cứu khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của Ag kích thước nanomet ” làm đề tài nghiên cứu khoa học với các mục tiêu sau: . Điều chế dung dịch keobạc với chất khử là ethyleneglycol bằng phương pháp khử hóa học có sự hỗ trợ nhiệt của vi sóng. . Khảo sát kích thước của hạt bạc nano điều chế được theo chất bảo vệ, theo thời gian, theo công suất lò vi sóng, theo tỉ lệ của chất bảo vệ và AgNO3 . Khảo sát khả năng bám dính của dung dịch keo bạc nano điều chế được trên một số loại vải dùng trong quân đội . Khảo sát khả năng kháng khuẩn của dung dịch bạc nano đối với một số chủng vi khuẩn, chủng nấm gây bệnh phổ biến bằng phương pháp vòng vô khuẩn. 2