nghiên cứu xây dựng quy trình tạo bạc nano theo phương pháp sinh học bằng fusarium oxysporum

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ





BÁO CÁO NGHIỆM THU
(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu)



NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO
BẠC NANO THEO PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC
BẰNG Fusarium oxysporum




CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI





CƠ QUAN CHỦ QUẢN CƠ QUAN CHỦ TRÌ
(Ký tên/đóng dấu xác nhận) (Ký tên/đóng dấu xác nhận)

,
07/2014

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ





BÁO CÁO NGHIỆM THU
ỉnh sửa của Hội đồng nghiệm thu)


NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO
BẠC NANO THEO PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC
BẰNG Fusarium oxysporum





CHỦ

1 2







07/2014

i

Các phƣơng pháp tổng hợp và giữ ổn định hạt kim loại nano đang đƣợc công nghệ
nano quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là các phƣơng pháp tổng hợp “xanh”, thân thiện với môi
trƣờng. Bằng sự phối hợp giữa 2 lĩnh vực công nghệ sinh học và công nghệ nano, các tế bào
sinh vật có thể đƣợc sử dụng để sinh tổng hợp các hạt nano thông qua quá trình chuyển hóa
sinh học.Trong khoảng 1 thập kỷ qua, quá trình tổng hợp nano kim loại ngoại bào hoặc nội
bào của vi nấm và vi khuẩn đƣợc phát hiện và đang tiếp tụcđƣợc nghiên cứu.
Fusariumoxysporum là loài vi nấm với lợi thế sinh tổng hợp ngoại bào và hiệu suất tạo sinh
khối cao, đã đƣợc quan tâm nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp bạc nano từ rất sớm.Tuy
nhiên, quá trình tổng hợp bac nano bằng phƣơng pháp sinh học gặp nhiều trở ngại, tiêu biểu
là thời gian tạo sản phẩm kéo dài và nồng độ bạc nano chƣa cao. Chúng tôi đã thử nghiệm
phƣơng pháp sinh tổng hợp bạc nano bằng chủng F. oxysporum dựa trên phƣơng pháp nuôi
cấy bề mặt và qua đó rút ngắn đƣợc thời gian và công sức thu bạc nano.

INTRODUCTION
Research in nanotechnology mostly deals with the synthesis and stabilization of
various nanoparticles by physical and chemical processes. Currently, there is a growing need
to develop an eco-friendly process for nanoparticle synthesis and hence the focus turned
towards “green” chemistry and bioprocesses. As a result, researchers in the field of

nanoparticles synthesis and assembly have turned to biological systems for inspiration. This
is not surprising given that many organisms, both unicellular and multicellular, are known to
produce inorganic materials either intracellularly or extracellularly.In recent decade, the
extracellular or intracellular biosynthesis of metal nanoparticles in fungi and bacteria have
been explored and are being investigated. Fusariumoxysporum, a fungus with the advantage
of extracellular biosynthesis and high-efficiency biomass, is attracting studying the
biosynthesis of silver nanoparticles.However, the biosynthesis of silver nanoparticles is
impeded because of the time-consuming process and the low concentration of silver
nanoparticles. We investigated the new method of biosynthesis silver nanoparticles by
culturing F. oxysporum on agar surface and hence shortened the time and effort collecting.


ii
MỤC LỤC
i
1
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT v
DANH SÁCH BẢNG vi
DANH SÁCH HÌNH vii
DANH SÁCH ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ viii
Phần mở đầu 1
Thông tin đề tài 0
Mục tiêu 0
Nội dung 0
Sản phẩm của đề tài 1
1 Tổng quan tài liệu Error! Bookmark not defined.
1.1 Lịch sử ứng dụng tính kháng khuẩn của hạt bạc 4
1.2 Tính chất hạt kim loại nano 5
1.2.1 Hiệu ứng bề mặt 6
1.2.2 Hiệu ứng kích thƣớc 7

1.2.3 Tính chất quang 8
1.2.4 Tính chất điện 9
1.2.5 Tính chất từ 9
1.2.6 Tính chất nhiệt 9
1.2.7 Tính kháng khuẩn của hạt bạc nano 10
1.3 Các ứng dụng của bạc nano 11
1.3.1 Trong công nghiệp điện máy 11

iii
1.3.2 Trong y dƣợc 12
1.3.3 Trong nông nghiệp 13
1.3.4 Trong các sản phẩm gia dụng 15
1.3.5 Trong công nghệ xử lý nƣớc 16
1.3.6 Trong xúc tác 16
1.4 Phƣơng pháp tạo bạc nano 17
1.4.1 Phƣơng pháp khử hóa học 17
1.4.2 Phƣơng pháp vật lý 18
1.4.3 Phƣơng pháp polyol hỗ trợ bởi nhiệt vi sóng (hóa-lý kết hợp) . 19
1.4.4 Phƣơng pháp sinh học 20
1.5 Sơ lƣợc về F. oxysporum 24
1.5.1 Phân loại học 24
1.5.2 Đặc điểm sinh lý, sinh dƣỡng 24
1.5.3 Cơ chế sinh tổng hợp 25
1.6 Phƣơng pháp xác định tính chất và kích thƣớc hạt bạc nano 27
1.6.1 Phƣơng pháp quét phổ – UV-Vis 27
1.6.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua 27
1.6.3 Kính hiển vi điện tử quét 28
2 Nội dung nghiên cứu 30
2.1 Thu nhận sinh khối F. oxysporum 30
2.1.1 Hoạt hóa, làm thuần giống 30

2.1.2 Khảo sát hình thái F. oxysporum 31
2.1.3 Nuôi cấy lỏng và thu sinh khối 31
2.2 Khảo sát các phƣơng pháp sinh tổng hợp bạc nano 31
2.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp bạc nano trên môi trƣờng lỏng 31

iv
2.2.2 Phƣơng pháp tổng hợp bạc nano trên bề mặtagar 32
2.3 Nghiên cứu phƣơng pháp sinh tổng hợp môi trƣờng rắn 33
2.3.1 Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng 33
2.3.2 Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch AgNO
3
33
2.3.3 Khả năng ổn định của dung dịch bạc nano 34
2.3.4 Hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch bạc nano 34
2.4 Mô hình máng nghiêng sinh tổng hợp bạc nano 36
2.4.1 Cấu tạo và hoạt động 36
2.4.2
37
3 Kết quả - Thảo luận 39
3.1 Quan sát hình thái F. oxysporum 39
3.2 Các phƣơng pháp sinh tổng hợp bạc nano khác nhau 41
3.3 Nghiên cứu phƣơng pháp sinh tổng hợp môi trƣờng rắn 44
3.3.1 Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng 44
3.3.2 Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch AgNO
3
45
3.3.3 Khả năng ổn định của dung dịch bạc nano 47
3.3.4 Hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch bạc nano 49
3.4 Mô hình máng nghiêng sinh tổng hợp bạc nano 51
KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 53

4 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 54
4.1 Kết luận 54
4.2 Đề nghị 55
PHỤ LỤC i
TÀI LIỆU THAM KHẢO vii

v
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
AOAC Association of Official Analytical Chemists
CFU Colony Form Unit
EDTA Ethylen Diamine Tetra Acetic Acid Tetra Sodium Salt
EPA Environmental Protection Agency
FCC Fluid Catalytic Cracking
FDA Food and Drug Administration
FITI Testing and Research Institute
NADH Nicotinamide Adenine Dinucleotide
NADPH Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate
PVA Poly Vinyl Alcohol
PVP Poly Vinyl Pyrrolidone
SEM Scanning Electron Microscopy
SIAA Singapore Industrial Automation Association
TEM Transmission Electron Microscopy
UV-Vis Ultraviolet-Visible


vi
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1 Số nguyên tử và năng lƣợng bề mặt của hạt nano hình cầu 7
Bảng 1.2 Độ dài đặc trƣng một số tính chất của vật liệu 8
Bảng 2.1 Các dung dịch bạc nano thử nghiệm kháng khuẩn với các hàm lƣợng bạc

khác nhau 35
Bảng 3.1 Bảng đỉnh hấp thu và cƣờng độ hấp thu của dung dịch bạc nano đƣợc sinh
tổng hợp trên môi trƣờng Malt-Yeast với các phƣơng pháp khác nhau 42
Bảng 3.2 Bảng đỉnh hấp thu và cƣờng độ hấp thu của dung dịch bạc nano đƣợc sinh
tổng hợp với các nồng độ dung dịch AgNO
3
khác nhau 45
Bảng 3.3 Hiệu suất kháng khuẩn của các dung dịch bạc nano 49
Bảng 3.4 Đánh giá phƣơng pháp sinh tổng hợp nuôi trong chai và máng nghiêng 52


vii
DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 Các hạt bạc nano với kích thƣớc khác nhau [4] 5
Hình 1.2 Quá trình co nguyên sinh kích thích bởi bạc nano 0,1 ppm trong 1 giờ ở
Escherichia coli qua ảnh chụp TEM bên phải, ảnh trái là đối chứng [22] 10
Hình 1.3 Các sản phẩm điện máy ứng dụng công nghệ bạc nano [27] 12
Hình 1.4 Băng gạc y tế có tẩm bạc nano [24] 13
Hình 1.5 Thuốc trừ sâu MIFUM 0,6 DD [26] 14
Hình 1.6 Bình sữa Mummybear có tráng lớp bạc nano [30] 15
Hình 1.7 Thiết bị xử lý nƣớc uống nhiễm khuẩn với cột lọc PU@Ag Polyurethan xốp
tẩm bạc nano 16
Hình 1.8 Hình TEM và sự phân bố kích thƣớc hạt bạc nano đƣợc chế tạo bằng xung
laser ở 120 fs và 8 ns [1] 19
Hình 1.9 Tinh thể bạc nano trong vi khuẩn Pseudomonas stutzeri AG259 22
Hình 1.10 Cơ chế tổng hợp bạc nano ở vi khuẩn B.licheniformis [16] 23
Hình 1.11 Sợi nấm F. oxysporum trên môi trƣờng agar [31] 24
Hình 1.12 Hình thái sợi đa bào, bào tử hình liềm và bào tử hình cầu của nấm
F.oxysporum 25
Hình 1.13 Giả thuyết về cơ chế quá trình sinh tổng hợp bạc nano ở F. oxysporum] 26

Hình 2.1 Mô hình hoạt động của hệ thống máng nghiêng 36
Hình 3.1 Hình thái khuẩn lạc F. oxysporum nuôi trên môi trƣờng rắn Malt-Yeast (A)
và hình từ Internet (B) [31] 39
Hình 3.2 Hình thái F. oxysporum dƣới kính hiển vi 40
Hình 3.3 Dung dịch AgNO
3
các phƣơng pháp sinh tổng hợp bạc nano khác nhau 41
Hình 3.4 Ảnh TEM của hạt bạc nano đƣợc sinh tổng hợp với AgNO
3
8mM
và đồ thị sự phân bố hạt bạc nano 47
Hình 3.5Mô hình sinh tổng hợp bạc nano trên môi trƣờng agar dạng máng nghiêng
sau khi lắp ráp (A) và phủ agar (B), trải nấm F. oxysporum lên bề mặt và cho AgNO
3

chảy qua (C) 51


viii
DANH SÁCH ĐỒ THỊ, BIỂU ĐỒ
Đồ thị 1.1 Phổ UV-Vis của phƣơng pháp gia nhiệt bằng lò vi sóng và phƣơng pháp
gia nhiệt thông thƣờng 20
Đồ thị 3.1 Phổ UV-Vis của dung dịch bạc nano với các phƣơng pháp sinh tổng hợp
khác nhau 42
Đồ thị 3.2 Phổ UV-Vis của dung dịch thu đƣợc theo thời gian phản ứng 44
Đồ thị 3.3 Phổ UV-Vis của dung dịch bạc nano với các nồng độ AgNO
3
khác nhau . 45
Đồ thị 3.4 Phổ UV-Vis để kiểm tra khả năng ổn định của dung dịch bạc nano 48
Đồ thị 3.5 Đồ thị biểu diễn hiệu suất kháng khuẩn theo hàm lƣợng Ag 50

Đồ thị 3.6 Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc sinh tổng hợp trên hệ thống máng
nghiêng theo thời gian lƣu 52





Tên đề tài:NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO BẠC NANO
THEO PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC BẰNG F. oxysporum
Chủ nhiệm đề tài/dự án: NGUYỄN HOÀNG NGỌC PHƢƠNG
Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ
Thời gian thực hiện: 11/2010 – 11/2011
Kinh phí đƣợc duyệt: 80 triệu đồng
Kinh phí đã cấp: 72 triệu đồng theo:
- 225 HĐ-SKHCN ngày 02/02/2010
- Hợp đồng số y 30/12/2010

Mục tiêu
Quy trình tạo bạc nano theo phƣơng pháp sinh học bằng F. oxysporum đáp ứng
mục tiêu: hạt bạc nano kích thƣớc trung bình 50nm, kháng 90% E.coli và S.aureus,
nồng độ 40ppm.
Nội dung
 Thực hiện sinh tổng hợp bạc nanobằng 3 cách: (A) khử Ag cho tiếp xúc trực
tiếp với sinh khối F. oxysporum; (B) gián tiếp thông qua các chất vận chuyển
electron ngoại bào do F. oxysporum tiết ra môi trƣờng nuôi; (C) sử dụng
phƣơng pháp sinh tổng hợp mới: nuôi cấy trên bề mặt agar nhằm tiết kiệm
công sức, hóa chất, so sánh kết quả với với hai phƣơng pháp có trƣớc.
 Dựa trên phƣơng pháp cải tiến (C):
- Khảo sát ảnh hƣởng thời gian phản ứng, nồng độ Ag
+

lên quá trình sinh
tổng hợp.
- Xác định kích thƣớc và nồng độ của bạc nano sinh tổng hợp.
- Kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch bạc nano sinh tổng hợp.


- Xây dựng mô hình sản xuất dung dịch bạc nano bán liên tục quy mô
phòng thí nghiệm.
Sản phẩm của đề tài
TT
Tên sản phẩm
Yêu cầu khoa học, kinh tế
1
Mẫu dung dịch bạc nano
Kích thƣớc trung bình 50nm, kháng 90% E.coli,
S.aureus, hàm lƣợng >=40ppm
2
Quy trình tạo bạc nano
theo phƣơng pháp sinh học
bằng F. oxysporum
Trình bày chi tiết từ khâu nuôi cấy đến thu hoạch
dung dịch bạc nano.
3
Báo cáo Nghiệm thu đề tài
Hoàn thành mục tiêu đăng ký.
4
 Nghiên cứu sinh tổng
hợp bạc nano bằng
chủng nấm F.
oxysporum

 Facilitating the process
of culturing Fusarium
oxysporum and
hardvesting silver
nanoparticles by agar-
supported method

- Kỷ yếu Hội Nghị Công nghệ Sinh học toàn quốc
Khu vực phía Nam lần 1.

- The 5
th
International Workshop on Advanced
Materials Science And Nanotechnology.











MỞ ĐẦU


1

Hiện nay các chủng vi sinh vật gây bệnh ngày càng trở nên kháng thuốc, điều
này thúc đẩy các nhà khoa học, dƣợc học quay về sử dụng bạc –
- nhƣ một chất kháng khuẩn
, phổ kháng rộng. Các ứng dụng của bạc nano đã xuất hiện rất
nhiều trên thị trƣờng hiện nay, nhƣ bạc nano kết hợp với các polymer để tạo vật dụng
kháng khuẩn nhƣ: khăn lau vệ sinh, bình sữa, hộp đựng thực phẩm, tủ lạnh, màng lọc
máy điều hòa, thuốc rửa vết thƣơng
Phƣơng phá là các phƣơng pháp hóa, lý, hoặc kết
hợp hóa – lý, nhƣng chúng đều có nhƣợc điểm là kích thƣớc hạt bạc nano tạo
ra khá lớn: 20-100nm (tùy vào phƣơng pháp tổng hợp), nên hiệu quả kháng khuẩn
kém hơn, , chi phí đầu tƣ trang thiết bị tốn kém, hóa chất đắt,
khó quy mô công nghiệp (đối với phƣơng pháp vi sóng), và nhất là rất độc
hại đối với môi trƣờng.
, các nhà khoa h sinh có k
+
về Ag Fusarium
oxysporum
+
. Hƣớng tổng hợp
nano kim loại này thân thiện với môi trƣờng, chi phí đầu tƣ thấp, ứng dụng đƣợc ở
quy mô công nghiệp, tận dụng đƣợc phế phẩm của nông nghiệp tạo nên quy trình sản
xuất phát triển bền vững, và góp phần thúc đẩy nghiên cứu cơ bản phát triển, tạo tiền
đề để phát triển hƣớng sử dụng vi sinh xử lý môi trƣờng ô nhiễm kim loại nặng.
Phƣơng pháp sinh tổng hợp bạc nano trên thế giới hiện nay
nội bào hoặc ngoại bào. Hƣớng sinh tổng hợp ngoại bào có nhiều lợi
thế hơn vì có thể thu lấy hạt bạc dễ dàng từ môi trƣờng phản ứng. Tuy vậy, phƣơng
pháp sinh tổng hợp : thời gian thực hiện phản
ứng phải chờ khá lâu (trên 3 ngày), tốn nhiều công sức cho các công đoạn nuôi cấy và
ly tâm để thu đủ lƣợng sinh khối thực hiện phản ứng, ngoài ra môi trƣờng phản ứng
chỉ có muối bạc, bên cạnh đó, khi nồng độ bạc nano sinh tổng hợp tăng dần sẽ xuất

hiện tình trạng ức chế ngƣợc khiến vi sinh chết dần trong khi thực hiện phản ứng dẫn
đến nồng độ bạc nano không cao.

2
, đ sinh tổng
hợp hạt bạc nano dựa trên pha rắn – tức là sử dụng giá thể agar có thành phần là môi
trƣờng Malt-Yeast để làm điểm bám và cung cấp dinh dƣỡng cho F. oxysporum phát
triển. Phƣơng pháp này hiệu quả, tiết kiệm
.
.










Chƣơng 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1: Tổng quan tài liệu
4
1
1.1 Lịch sử ứng dụng tính kháng khuẩn của hạt bạc
Trong y học cổ phƣơng Đông, việc dùng bạc chữa bệnh có từ rất sớm. Trong
các sách đạo Phật Ấn Độ cách đây hơn 2500 năm có đoạn viết: “Ngƣời ta khử độc
nƣớc uống bằng cách nhúng vào đó một thỏi bạc nung đỏ”. Trong cuốn “Chí chân

yếu đại luận” (Trung Quốc) nói: “Bạc chi kiếp chi” là bạc bức bách bệnh tà phải ra
ngoài. Phần lớn các viên thuốc hoàn đều có lớp áo bằng vết bạc để bảo quản thuốc
từ năm này qua năm khác mà vẫn giữ nguyên chất lƣợng. Nhiều nơi ở nƣớc ta có
tục lệ đào giếng lấy nƣớc, trƣớc khi sử dụng, thƣờng ném xuống giếng một đồng
bạc nhỏ để cúng Thần giếng, điều này cũng bắt nguồn từ kinh nghiệm dân gian
dùng bạc để khử trùng nƣớc[28].
Ở phƣơng Tây, việc sử dụng bạc nhƣ một chất sát trùng đã có quá trình lịch
sử hàng nghìn năm, đƣợc ghi nhận trong lịch sử y học Châu Âu. Chính Hippocrate,
ngƣời đƣợc coi là cha đẻ của y học phƣơng Tây, đã dùng bạc để chữa bệnh và
khuyên nên dùng bạc nhƣ chất sát trùng. Vào thế kỷ 14, một đợt dịch hạch đã cƣớp
đi sinh mạng của 1/4 dân số châu Âu, những ngƣời giàu đổ xô đi mua bát đĩa bạc
dùng trong việc ăn uống và việc làm đó tỏ ra rất có tác dụng trong đợt dịch hạch lớn
này. Thậm chí ở châu Âu, tác dụng của bạc đến sức khoẻ đã đi vào thành ngữ.
Ngƣời Anh gọi một đứa trẻ khoẻ mạnh, béo tốt là “He was born with a silver spoon
in his mouth” (Thằng bé đƣợc sinh ra với chiếc thìa bạc trong miệng) và có tục lệ
đến mừng các gia đình sinh con bằng chiếc thìa bạc để cháu nhỏ ăn bột[28].
Sau này, khi nền công nghiệp sản xuất kháng sinh ra đời những dòng thuốc
giá thành bình dân, hiệu lực diệt khuẩn cao, thì vai trò kháng khuẩn của bạc dần bị
quên lãng, một phần cũng vì giá thành kim loại quí này khá cao.
Tuy nhiên, hiện nay các chủng vi sinh vật gây bệnh ngày càng trở nên kháng
thuốc, điều này thúc đẩy các nhà khoa học, dƣợc học quay về sử dụng bạc dƣới một
dạng mới - bạc nano - nhƣ một chất kháng khuẩn an toàn, phổ kháng rộng, không
gây độc lên ngƣời sử dụng. Những nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học thuộc
Kyungpook National University ở Daegu, Korea còn cho thấy bạc nano có hiệu quả
vƣợt trội kháng các loài nấm kí sinh gây bệnh trên ngƣời (Candida,
Chương 1: Tổng quan tài liệu
5
Trichophyton)[17]. Hiện tại, loại vật liệu này đã đƣợc NASA chọn làm chất diệt
khuẩn trên tàu vũ trụ.
Bạc nano thƣờng ở dƣới dạng các dung dịch keo với các chất bảo vệ là các

polymer để các hạt bạc nano không bị kết tụ. Bạc ở kích thƣớc nano có những đặc
trƣng rất khác so với bạc bình thƣờng.

Hình 1.1Các hạt bạc nano với kích thước khác nhau [4]
1.2 Tính chất hạt kim loại nano
Bạc nano cũng nhƣ hạt kim loại nano có hai tính chất khác biệt so với vật
liệu khối đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc. Tuy nhiên, do đặc điểm các
hạt nano có tính kim loại, nghĩa là có mật độ điện tử tự do lớn. Do vậy tính chất của
vật liệu còn có những đặc trƣng riêng khác với vật liệu đơn thuần chỉ có hai tính
chất trên, hay các vật liệu không có mật độ điện tử tự do hoặc có nhƣng thấp trong
thành phần cấu trúc của vật liệu.
Chương 1: Tổng quan tài liệu
6
1.2.1 Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thƣớc nano thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và
tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng đáng kể, nghĩa là các số nguyên tử nằm trên
bề mặt sẽ chiếm một tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì điều này mà
các hiệu ứng liên quan đến bề mặt của vật liệu trở nên quan trọng, làm cho tính chất
của vật liệu có kích thƣớc nano khác biệt so với vật liệu ở dạng khối.
Ta xét ví dụ sau đây: Nếu gọi n
s
là số nguyên tử nằm trên bề mặt của vật liệu
đƣợc tạo thành từ các hạt nano hình cầu, n là tổng số nguyên tử thì ta có mối liên hệ
nhƣ sau n
s
=4n
(2/3)
. Gọi f là tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử
khi đó f = n
s

/n =4n
(2/3)
/n = 4n
-1/3
= 4 r
0
/r, trong đó r
0
là bán kính của nguyên tử và r
là bán kính của hạt nano. Nhƣ vậy nếu kích thƣớc của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số
bề mặt sẽ tăng lên (f tăng). Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so
với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thƣớc vật liệu
giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng
bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thƣớc của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f
này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt
không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thƣớc vì f tỉ lệ nghịch với r theo một
hàm liên tục[25].

Chương 1: Tổng quan tài liệu
7
Bảng 1.1Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu
Đƣờng kính
hạt nano (nm)
Số nguyên tử
Tỉ số nguyên
tử trên bề mặt
(%)
Năng lƣợng bề
mặt (erg/mol)
Năng lƣợng

mặt/Năng
lƣợng tổng(%)
10
30.000
20
4,08 ×10
11

7,6
5
4.000
40
8,16 ×10
11
14,3
2
250
80
2,04 ×10
12

35,3
1
30
90
9,23 ×10
12
82,2
Bảng 1.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với hạt
nano hình cầu có đƣờng kính 5nm thì số nguyên tử tƣơng ứng là 4.000 nguyên tử, tỉ

số f là 40%, năng lƣợng bề mặt là 8.16 x10
11
và tỉ số năng lƣợng bề mặt trên năng
lƣợng tổng là 14,3%, tuy nhiên các giá trị vật lý sẽ giảm đi một nửa nếu đƣờng kính
của hạt nano tăng gấp hai lần, nghĩa là đƣờng kính hạt nano bằng 10 nm.
1.2.2 Hiệu ứng kích thƣớc
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano đã làm cho
vật liệu nano có những tính chất kỳ lạ hơn nhiều so với vật liệu truyền thống.Đối
với mỗi vật liệu đều có một độ dài đặc trƣng, tính chất của rất nhiều vật liệu đều rơi
vào kích thƣớc nm.Chính điều này đã làm nên từ “vật liệu nano” mà chúng ta
thƣờng nghe đến ngày nay.Ở vật liệu khối, kích thƣớc của vật liệu lớn hơn rất nhiều
lần độ dài đặc trƣng của vật liệu, điều này đã qui định những tính chất vật lý của vật
liệu nhƣ chúng ta đã biết.Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu có thể so sánh đƣợc với
độ dài đặc trƣng của vật liệu thì tính chất vật lý của vật liệu có những thay đổi đột
ngột, và chúng khác hẳn so với những tính chất mà chúng ta đã biết trƣớc đó. Trong
trƣờng hợp này không có sự chuyển tiếp từ vật liệu khối đến vật liệu nano[2].
Ví dụ, vật liệu sắt từ đƣợc hình thành từ những domain, trong lòng một
domain, các nguyên tử có từ tính sắp xếp song song với nhau nhƣng lại không nhất
thiết phải song song với moment từ của nguyên tử ở một domain khác.Giữa hai
Chương 1: Tổng quan tài liệu
8
domain có một vùng chuyển tiếp đƣợc gọi là vách domain.Độ dày của vách domain
phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày từ 10-100nm. Nếu vật liệu tạo
thành từ các hạt chỉ có kích thƣớc bằng độ dày vách domain thì sẽ có các tính chất
khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hƣởng của các nguyên tử ở domain
này tác động lên nguyên tử ở domain khác[2].
Bảng 1.2Độ dài đặc trưng một số tính chất của vật liệu
Tính chất
Thông số
Độ dài đặc trƣng (nm)

Điện
Hiệu ứng đƣờng ngầm
1-10
Từ
Giới hạn siêu thuận từ
5-100
Xúc tác
Hình học topo bề mặt
1-10
Miễn dịch
Nhận biết phân tử
1-10
1.2.3 Tính chất quang
Tính chất quang của các hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các
sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đƣợc ngƣời La Mã sử dụng từ hàng
ngàn năm trƣớc. Các hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon
resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có
nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dƣới tác dụng của điện từ
trƣờng bên ngoài nhƣ ánh sáng. Thông thƣờng các dao động bị dập tắt nhanh chóng
bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng
đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc. Nhƣng khi kích thƣớc của
kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình thì hiện tƣợng dập tắt của các điện
tử dẫn đến từ quá trình tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động nhƣ vậy,
các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho các hạt bị phân cực điện tạo thành
một lƣỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hƣởng phụ thuộc vào nhiều
yếu tố nhƣng các yếu tố về hình dạng, độ lớn của hạt nano và môi trƣờng xung
quanh là các yếu tố ảnh hƣởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh
hƣởng đến tính chất quang. Nếu mật độ loãng thì có thể coi nhƣ gần đúng hạt tự do,
Chương 1: Tổng quan tài liệu
9

nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hƣởng của quá trình tƣơng tác giữa các
hạt[18].
1.2.4 Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật
độ điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn điện dựa
trên cấu trúc vùng năng lƣợng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ
của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ dao động với nhiệt của
nút mạng. Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại dƣới tác dụng của điện
trƣờng (U) có liên hệ với nhau thông qua định Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở
kim loại. Định luật Ohm cho thấy đƣờng I-U là một đƣờng tuyến tính. Khi kích
thƣớc của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lƣợng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu
trúc Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đƣờng I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi
bậc sai khác nhau một lƣợng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện
tử, C và R là điện dung và điện trở kháng nối hạt nano với điện cực[25].
1.2.5 Tính chất từ
Các kim loại quý nhƣ vàng, bạc…có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự
bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thƣớc thì sự bù trừ trên sẽ không toàn
diện nữa và vật liệu có từ tính tƣơng đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ trạng thái
khối nhƣ kim loại chuyển tiếp sắt, cobalt, nickel thì khi kích thƣớc nhỏ sẽ phá vỡ
trật tự sắt từ làm chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái
siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trƣờng và không có từ tính khi từ trƣờng bị
ngắt đi, tức là từ dƣ và lực kháng từ hoàn toàn bằng không[2].
1.2.6 Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức liên kết giữa các
nguyên tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các
nguyên tử lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật
liệu sẽ có số phối trí nhỏ hơn số phối vị của nguyên tử bên trong nên chúng có thể
dễ dàng tái sắp xếp để có những trạng thái khác hơn. Nhƣ vậy, nếu kích thƣớc của
Chương 1: Tổng quan tài liệu
10

hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2nm có Tm = 500
o
C,
kích thƣớc 6nm có Tm = 950
o
C[18].
1.2.7 Tính kháng khuẩn của hạt bạc nano
Có ba cơ chế kháng khuẩn của bạc nano đã đƣợc quan sát ở một số loài gây
bệnh[22]:
- Kích thích sự co nguyên sinh, làm màng và vách tế bào tách rời ở vi khuẩn
Gram âm, Salmonella typhi và Escherichia coli;
- Ngăn cản quá trình hình thành vách tế bào ở Gram dƣơng Staphylococcus
aureus;
- Hạt bạc nano tìm thấy trong tế bào chất Mycobacterium tuberculosis có thể
đã cản trở sự chuyển hóa trong tế bào chất.
Các vi khuẩn Gram dƣơng có kích thƣớc vách tế bào dày hơn so với các vi
khuẩn Gram âm nên tác động của bạc nano trên các vi khuẩn Gram dƣơng kém hơn
so với các vi khuẩn Gram âm. Hiệu quả kháng khuẩn của bạc nano thể hiện vƣợt
trội, cho kết quả tốt dù chỉ 1ppm đối với chủng S.typhi, E.coli, P.aeruginosa và
10ppm đối với S.aureus và M.tuberculosis[22].

Hình 1.2Quá trình co nguyên sinh kích thích bởi bạc nano 0,1 ppm trong 1 giờ ở
Escherichia coli qua ảnh chụp TEM bên phải, ảnh trái là đối chứng [22]
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: bạc nano là chất sát trùng đối với hầu hết các
chủng vi khuẩn nhƣ Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus, Neisseria
gonorrhea, Gardnerella vaginalis, Salmonella typhi…; là chất trừ nấm đối với
Chương 1: Tổng quan tài liệu
11
Candida albicans, Candida glabrata, và Malassezia furfur…, có thể giết các virus
trong phòng thí nghiệm [10],[13].

Về ảnh hƣởng của bạc nano đến sức khoẻ con ngƣời, các nhà khoa học cho
rằng bạc nano có khả năng diệt vi khuẩn, mà tiêu hóa của con nguời có đƣợc là do
các vi khuẩn có lợi cho cơ thể và vì thế, họ vẫn nghi ngờ rằng các hạt bạc nano cũng
có thể diệt các vi khuẩn này và ảnh hƣởng đến sức khoẻ. Các cơ chế tác động của
hạt bạc nano trên tế bào vi sinh vẫn có khả năng diễn ra trên tế bào động vật cấp
cao. Các nghiên cứu sự tiếp xúc bạc nano, muối bạc, silver - dendrimer, polymer,
bạc zeolite với tế bào động vật nuôi cấy cho thấy chúng có thể gây độc cho tế bào.
Tuy nhiên,hầu hết các nghiên cứu đƣợc thực hiện trong điều kiện đơn giản, cho bạc
tiếp xúc trực tiếp với tế bào nuôi cấy, chƣa mô phỏng đƣợc các điều kiện phức tạp
nhƣ trong mô cơ thể. Không ai trong số các nghiên cứu chứng minh chắc chắn tác
động của sản phẩm chứa vật liệu bạc nano có ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời
hoặc môi trƣờng. Do đó, cần nhiều nghiên cứu sâu hơn đểkhẳng địnhđộctính của
bạc nano với việcứng dụng vật liệu bạc nanođã lan rộng và phát triển nhanh chóng
nhƣ hiện nay [19].
1.3 Các ứng dụng của bạc nano
Do vi khuẩn ngày càng kháng thuốc, nên các nhà khoa học đang tập trung đi
tìm các tác nhân mới để diệt chúng. Bạc là một trong những chất đƣợc tập trung
nghiên cứu nhiều. Với sự phát triển của công nghệ nano, các nhà khoa học hƣớng
tới việc sử dụng các hạt bạc có kích thƣớc cực nhỏ để diệt khuẩn một cách hiệu quả.
1.3.1 Trong công nghiệp điện máy
Dựa trên tính năng diệt khuẩn của bạc, Samsung đã đƣa ra phƣơng pháp sử
dụng bạc nano trong các thiết bị dân dụng để khử trùng. Trong máy giặt, bạc nano
tạo thành hệ thống diệt khuẩn của máy mà không cần phải đun sôi nƣớc. Cách làm
này vừa ít hao tốn điện năng nhƣng vẫn bảo đảm hiệu quả. Bên cạnh việc diệt
khuẩn, công nghệ bạc nano cũng giúp khử mùi. Các lƣới lọc trong điều hòa nhiệt độ
hay các khoang trong tủ lạnh cũng đƣợc áp dụng công nghệ tƣơng tự để bảo vệ sức
khỏe cho ngƣời dùng. Thời gian bảo quản thực phẩm có thể lên tới 15 ngày mà
không ảnh hƣởng đến mùi vị[27].
Chương 1: Tổng quan tài liệu
12

Sau Samsung, công ty điện tử LG cũng công bố ứng dụng công nghệ nano để
diệt khuẩn vào các thiết bị dân dụng nhƣ điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, máy hút bụi và
máy giặt. Nguyên tắc chung của diệt khuẩn, khử mùi là sử dụng các hạt bạc và các-
bon siêu nhỏ. Kết quả trên đã đƣợc các cơ quan có uy tín nhƣ cơ quan thực phẩm và
dƣợc phẩm Hoa Kỳ (FDA), cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ (EPA), hiệp hội công
nghiệp tự động Singapore (SIAA) kiểm định[27].


Hình 1.3Các sản phẩm điện máy ứng dụng công nghệ bạc nano[27]
1.3.2 Trong y dƣợc
-
bạc nano
, không gây k
[29].