nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc và khả năng sát khuẩn của nó

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Ngọc Hùng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO BẠC VÀ KHẢ
NĂNG SÁT KHUẨN CỦA NÓ
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật lý kỹ thuật
HÀ NỘI - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Ngọc Hùng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO BẠC VÀ KHẢ
NĂNG SÁT KHUẨN CỦA NÓ
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật lý kỹ thuật
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Quang
HÀ NỘI - 2011
Lời cảm ơn
Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Đức Quang (Khoa
VLKT – ĐHCN – ĐHQGHN) và TS. Lê Anh Tuấn (Viện tiên tiến Khoa học và công
nghệ - ĐH Bách Khoa Hà Nội) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian
vừa qua.
Em xin gửi lời cám ơn tới các anh chị trong Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh
học – ĐHQG Hà Nội đã chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thí nghiệm.
Em cũng xin tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô và các anh chị khoa Vật lý kỹ thuật,
đặc biệt là GS. Lê Trần Bình, TS. Trần Đăng Khoa và TS. Hà Thị Quyến vì đã dạy
bảo và giúp đỡ em những lúc khó khăn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người luôn ủng
hộ và động viên em trong suốt thời gian vừa qua.
Hà Nội, Ngày 19/5/2011
Nguyễn Ngọc Hùng

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu, các trích dẫn tôi
đều đã ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Nếu có bất kỳ vấn đề gì xảy ra, tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm
Người viết luận văn:
Nguyễn Ngọc Hùng
MỤC LỤC
Nguyễn Ngọc Hùng 5
HÀ NỘI - 200<số cuối của năm bảo vệ KLTN> 5
Nguyễn Ngọc Hùng 6
HÀ NỘI - 2011 6
HÀ NỘI - 2008 6
Tóm tắt nội dung khóa luận 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO BẠC VÀ ỨNG DỤNG
CỦA CHÚNG TRONG SINH HỌC 2
1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano 2
Lĩnh vực 3
Tính chất 3
Độ dài tới hạn (nm) 3
Tính chất điện 3
Bước sóng điện tử 3
10-100 3
Quãng đường tự do trung bình không đàn hồi 3
1-100 3
Hiệu ứng đường ngầm 3
1-10 3
Tính chất từ 3
Độ dày vách đômen 3
10-100 3
Quãng đường tán xạ spin 3

1-100 3
Tính chất quang 3
Hố lượng tử 3
1-100 3
Độ dài suy giảm 3
10-100 3
Độ sâu bề mặt kim loại 3
10-100 3
Tính siêu dẫn 3
Độ dài liên kết cặp Cooper 3
0,1-100 3
Độ thẩm thấu Meisner 3
1-100 3
Tính chất cơ 3
Tương tác bất định xứ 3
1-1000 3
Biên hạt 3
1-10 3
Bán kính khởi động đứt vỡ 3
1-100 3
Sai hỏng mầm 3
0,1-10 3
Độ nhăn bề mặt 3
1-10 3
Xúc tác 4
Hình học topo bề mặt 4
1-10 4
Siêu phân tử 4
Độ dài Kuhn 4
1-100 4

Cấu trúc nhị cấp 4
1-10 4
Cấu trúc tam cấp 4
10-1000 4
Miễn dịch 4
Nhận biết phân tử 4
1-10 4
1.1.3 Ứng dụng của công nghệ nano trong sinh học và y học 4
5
1.2 Hạt nano bạc 5
1.2.1 Giới thiệu về bạc kim loại 5
1.2.3 Cơ chế kháng khuẩn của bạc 7
1.2.4 Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại 8
1.2.5 Giới thiệu về hạt nano bạc 9
1.2.5.1 Các phương pháp phân tích hạt nano bạc 9
1.2.5.2 Ứng dụng của nano bạc 12
1.3 Sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn 16
1.3.1 Đường cong sinh trưởng 16
1.3.1.1 Giai đoạn Tiềm phát (Lag phase) 16
1.3.1.2 Giai đoạn logarit (Log Phase) hay Pha Chỉ số (Exponential Phase) 17
1.3.1.3 Giai đoạn tử vong (Death Phase) 17
1.3.2 Xác định sự sinh trưởng của vi khuẩn 18
1.3.2.1 Xác định số lượng tế bào 18
1.3.2.2 Xác định khối lượng tế bào 19
Chương 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 21
2.1 Phương pháp chế tạo hạt nano bạc 21
2.1.1 Quy trình công nghệ chế tạo dung dịch nano bạc sử dụng kỹ thuật khử hóa học với bức xạ UV
kích thích. 21
2.1.1.1 Hóa chất thí nghiệm sử dụng: 21
2.1.1.2 Thiết bị sử dụng 21

2.1.1.3 Quy trình tổng hợp 21
2.1.2 Cơ chế hình thành hạt nano bạc 23
2.2 Ảnh hưởng của nano bạc lên sự phát triển của vi khuẩn 24
2.2.1 Phương pháp đo OD 24
2.2.2 Các trang thiết bị 24
2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 25
2.2.3.1 Chuẩn bị môi trường 25
2.2.3.2 Cấy vi khuẩn 25
KẾT QUẢ ĐO OD 30
0(μg/ml) 30
5(μg/ml) 30
10(μg/ml) 30
15(μg/ml) 30
25(μg/ml) 30
M1 30
M2 30
M1 30
M2 30
M1 30
M2 30
M1 30
M2 30
M1 30
M2 30
0.5 30
0.154 30
0.173 30
0.129 30
0.121 30
0.130 30

0.118 30
0.145 30
0.133 30
0.151 30
0.148 30
1.0 30
0.181 30
0.209 30
0.123 30
0.124 30
0.129 30
0.133 30
0.139 30
0.138 30
0.148 30
0.149 30
1.5 30
0.252 30
0.301 30
0.125 30
0.120 30
0.127 30
0.119 30
0.142 30
0.136 30
0.151 30
0.152 30
2.0 30
0.421 30
0.444 30

0.131 30
0.124 30
0.126 30
0.131 30
0.141 30
0.145 30
0.150 30
0.162 30
2.5 30
0.610 30
0.673 30
0.117 30
0.129 30
0.128 30
0.121 30
0.143 30
0.128 30
0.151 30
0.154 30
3.0 30
0.749 30
0.877 30
0.126 30
0.122 30
0.125 30
0.119 30
0.144 30
0.140 30
0.151 30
0.155 30

3.5 30
1.262 30
1.170 30
0.409 30
0.127 30
0.128 30
0.122 30
0.146 30
0.140 30
0.155 30
0.154 30
4.0 30
1.372 30
1.389 30
0.144 30
0.135 30
0.128 30
0.123 30
0.145 30
0.141 30
0.156 30
0.155 30
4.5 30
1.490 30
1.521 30
0.142 30
0.135 30
0.137 30
0.121 30
0.153 30

0.149 30
0.156 30
0.157 30
5.0 30
1.612 30
1.645 30
0.143 30
0.139 30
0.133 30
0.121 30
0.148 30
0.151 30
0.155 30
0.157 30
5.5 30
1.675 30
1.713 30
0.107 30
0.107 30
0.081 30
0.077 30
0.104 30
0.010 30
0.111 30
0.108 30
3.3 So sánh với phương pháp đo bán kính vòng vô khuẩn 35
Chương 4: KẾT LUẬN 36
Tóm tắt nội dung khóa luận
Từ xa xưa, con người đã sử dụng bạc làm các dụng cụ chứa đồ ăn, nước uống để trị bệnh.
Trong chiến tranh thế giới thứ nhất, người ta thậm chí còn sử dụng các sản phẩm từ bạc

để điều trị nhiễm trùng trước khi thuốc kháng sinh ra đời. Ngày nay, cùng với sự ra đời
và phát triển của công nghệ nano, con người đã chế tạo được bạc ở kích thước nano. Điều
này làm tăng đáng kể số ứng dụng của bạc. Ở kích thước nano, bạc thể hiện khả năng
kháng khuẩn mạnh mà không gây ảnh hưởng tới con người và môi trường. Chính vì vậy,
giới khoa học đang đầu tư nghiên cứu bạc để phục vụ cho các ứng dụng trong y học, nhất
là khi hiện tượng vi khuẩn kháng kháng sinh ngày càng phổ biến như ngày nay.
Chính vì vậy, trong khóa luận này, chúng tôi tập trung vào các nhiệm vụ sau:
1. Nghiên cứu quy trình công nghệ và tham gia thử nghiệm chế tạo hạt nano bạc
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hạt nano bạc lên sự phát triển (khả năng ức chế sự phát
triển) của vi khuẩn gây bệnh đường ruột E. coli
3. Đánh giá hiệu quả ức chế của nano bạc với E. coli
1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HẠT NANO BẠC VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG
TRONG SINH HỌC
1.1Giới thiệu về công nghệ nano
1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano
Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo
và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước
trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 10
-9
m)
[3]
. Ở kích thước nano, vật liệu sẽ có những
tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền thống không có được đó là do sự thu nhỏ kích thước
và việc tăng diện tích mặt ngoài.
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ
Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của cấu trúc
vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật ngữ “công nghệ
nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi một nhà nghiên cứu
tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch

vi điện tử
[4]
.
1.1.2 Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Công nghệ nano dựa trên những cơ sở khoa học chủ yếu sau:
- Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử: Đối với vật liệu vĩ
mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất
nhiều nguyên tử (1 µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng
giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính
chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn.
- Hiệu ứng bề mặt: Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên
bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu
ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng
làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu ở
dạng khối.
2
- Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một
giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất
của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu
nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích
thước tới hạn của các tính chất của vật liệu
[3]
.
Bảng 1: Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu
[3]
.
Lĩnh vực Tính chất Độ dài tới hạn
(nm)
Tính chất
điện

Bước sóng điện tử 10-100
Quãng đường tự do trung bình không đàn
hồi
1-100
Hiệu ứng đường ngầm 1-10
Tính chất từ Độ dày vách đômen 10-100
Quãng đường tán xạ spin 1-100
Tính chất
quang
Hố lượng tử 1-100
Độ dài suy giảm 10-100
Độ sâu bề mặt kim loại 10-100
dẫn Độ dài liên kết cặp Cooper 0,1-100
Độ thẩm thấu Meisner 1-100
Tính chất cơ Tương tác bất định xứ 1-1000
Biên hạt 1-10
Bán kính khởi động đứt vỡ 1-100
Sai hỏng mầm 0,1-10
Độ nhăn bề mặt 1-10
3
Xúc tác Hình học topo bề mặt 1-10
Siêu phân tử Độ dài Kuhn 1-100
Cấu trúc nhị cấp 1-10
Cấu trúc tam cấp 10-1000
Miễn dịch Nhận biết phân tử 1-10
1.1.3 Ứng dụng của công nghệ nano trong sinh học và y học
Do có nhiều tính năng độc đáo và kích thước tương đương với các phân tử sinh
học nên hiện nay, công nghệ nano đang được đầu tư nghiên cứu đặc biệt là trong lĩnh vực
y sinh. Các ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nano trong lĩnh vực này là:
- Chẩn đoán: Sử dụng các hạt nano (hạt nano vàng, nano từ, chấm lượng tử…)

để đánh dấu các phân tử sinh học, vi sinh vật, phát hiện các chuỗi gen nhờ vào
cơ chế bắt cặp bổ xung của DNA hoặc cơ chế bắt cặp kháng nguyên – kháng
thể.
- Vận chuyển thuốc: Cung cấp thuốc cho từng tế bào cụ thể bằng cách sử dụng
các hạt nano nhằm tiết kiệm thuốc và tránh các tác dụng phụ.
- Mô kỹ thuật: Công nghệ nano có thể giúp cơ thể tái sản xuất hoặc sửa chữa
các mô bị hư hỏng bằng cách sử dụng “giàn” dựa trên vật liệu nano và các yếu
tố tăng trưởng
[7]
.
4
Hình 1: Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc.
1.2 Hạt nano bạc
1.2.1 Giới thiệu về bạc kim loại
Cấu hình electron của bạc: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
2
4p
6

4d
10
5s
1
Bán kính nguyên tử Ag: 0,288 nm
Bán kính ion bạc: 0,23 nm
Bảng 2: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích
[14]
.
Kích thước của hạt
nano Ag (nm)
Số nguyên tử chứa
trong đó
1 31
5 3900
5
20 250000
Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn, có những đặc tính độc đáo
sau
[14]
:
- Tính khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, có khả năng phát xạ tia hồng ngoại đi
xa, chống tĩnh.
- Không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng tương đối cao, không có
phụ gia hóa chất.
- Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong các
dung môi phân cực như nước và trong các dung môi không phân cực như
benzene, toluene).
- Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác
nhân oxy hóa khử thông thường.

- Chi phí cho quá trình sản xuất thấp.
- Ổn định ở nhiệt độ cao.
1.2.2 Đặc tính kháng khuẩn của bạc
Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virus, tảo và nấm .
Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính
độc với con người.
Từ xa xưa, người ta đã sử dụng đặc tính này của bạc để phòng bệnh. Người cổ đại
sử dụng các bình bằng bạc để lưu trữ nước, rượu dấm. Trong thế kỷ 20, người ta thường
đặt một đồng bạc trong chai sữa để kéo dài độ tươi của sữa. Bạc và các hợp chất của bạc
được sử dụng rộng rãi từ đầu thế kỷ XIX đến giữa thế kỷ XX để điều trị các vết bỏng và
khử trùng
[10]
.
Sau khi thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao
người ta không còn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy nhiên, từ
những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh ngày càng trở nên kháng thuốc,
người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng
khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano.
6
1.2.3 Cơ chế kháng khuẩn của bạc
Hình 2: Tác động của ion bạc lên vi khuẩn.
Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các ion Ag
+
.
Ion này có khả năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên thành tế
bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê
liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó, khả năng hoặt động
của vi khuẩn lại có thể được phục hồi. Do động vật không có thành tế bào,vì vậy chúng ta
không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion này.
Có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn đáng chú ý được mô tả như

sau: Sau khi Ag
+
tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ đi vào
bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin – SH của phân tử enzym chuyển
hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn
[14]
.
Hình 3: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn
7
Ngoài ra các ion bạc còn có khả năng liên kết với các base của DNA và trung hòa
điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA
[15]
.
Hình 4: Ion bạc liên kết với các base của DNA
1.2.4 Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại
- Phương pháp ăn mòn laze: Phương pháp này sử dụng chùm tia laze với bướ
sóng ngắn bắn lên vật liệu khối đặt trong dung dịch có chứa chất hoạt hóa bề mặt. Các hạt
nano được tạo thành với kích thước khoảng 10 nm và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề
mặt.
- Phương pháp khử hóa học: Phương pháp này sử dụng các tác nhân hóa học để
khử ion kim loại thành kim loại. Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết
tụ thành đám, người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có
cùng điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc bằng chất hoạt hóa bề mặt.
Các hạt nano tạo thành bằng phương pháp này có kích thước từ 10 nm đến 100 nm.
- Phương pháp khử vật lý: Phương khử vật lí dùng các tác nhân vật lí như điện
tử, sóng điện từ năng lượng cao như tia gamm, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại
thành kim loại. Dưới tác dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều quá trình biến đổi của
dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion
thành kim loại.
- Phương pháp khử hóa lý: Đây là phương pháp trung gian giữa hóa học và vật

lí. Nguyên lí là dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano.
Phương pháp điện phân thông thường chỉ có thể tạo được màng mỏng kim loại. Trước
8
khi xảy ra sự hình thành màng, các nguyên tử kim loại sau khi được điện hóa sẽ tạo các
hạt nano bàm lên điện cực âm. Lúc này người ta tác dụng một xung siêu âm đồng bộ với
xung điện phân thì hạt nano kim loại sẽ rời khỏi điện cực và đi vào dung dịch.
- Phương pháp khử sinh học: Dùng vi khuẩn là tác nhân khử ion kim loại. Người
ta cấy vi khuẩn MKY3 vào trong dung dịch có chứa ion bạc để thu được hạt nano bạc.
Phương pháp này đơn giản, thân thiện với môi trường và có thể tạo hạt với số lượng
lớn
[6]
.
1.2.5 Giới thiệu về hạt nano bạc
Hạt nano bạc là các hạt bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Do có diện tích bề
mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do
khả năng giải phóng nhiều ion Ag
+
hơn.
Các hạt nano bạc có hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Hiện tượng này tạo
nên màu sắc từ vàng nhạt đến đen cho các dung dịch có chứa hạt nano bạc với các màu
sắc phụ thuộc vào nồng độ và kích thước hạt nano.
1.2.5.1 Các phương pháp phân tích hạt nano bạc
a) Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hoạt động trên nguyên tắc giống thấu kính
quang học, chỉ khác là sử dụng sóng điện tử thay cho bước sóng ánh sáng nên có bước
sóng rất ngắn) và sử dụng các thấu kính điện từ - magnetic lens thay cho thấu kính quang
học
[5]
.
9

Hình 5: Mô hình nguyên lý của TEM so với kính hiển vi quang học
Ảnh của kính hiển vi điện tử truyền qua cho phép ta quan sát được hình dạng và
xác định được kích thước của các hạt nano.
10
Hình 6: Ảnh TEM của các hạt nano bạc kích thước 10 nm
[11]
.
b) Phân tích phổ UV-VIS
UV-VIS (Ultraviolet–visible spectroscopy) là phương pháp phân tích sử dụng phổ
hấp thụ hoặc phản xạ trong phạm vi vùng cực tím cho tới vùng ánh sáng nhìn thấy được.
Do các thuộc tính quang học của dung dịch chứa hạt nano phụ thuộc vào hình
dạng, kích thước và nồng độ của hạt, nên ta có thể sử dụng UV-VIS để xác định các
thuộc tính trên.
11