Nghiên cứu quy trình sản xuất nano bạc tạo chế phẩm kháng vi sinh vật

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM


HOÀNG VĂN THẾ

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NANO BẠC
TẠO CHẾ PHẨM KHÁNG VI SINH VẬT

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC




Hệ đào tạo : Chính quy
Chuyên ngành : Công nghệ Sinh học
Khoa : CNSH - CNTP
Khoá học : 2010 – 2014






Thái Nguyên, năm 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM


HOÀNG VĂN THẾ

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT NANO BẠC
TẠO CHẾ PHẨM KHÁNG VI SINH VẬT

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC




Hệ đào tạo : Chính quy
Chuyên ngành : Công nghệ Sinh học
Lớp : 42 - CNSH
Khoa : CNSH - CNTP
Khoá học : 2010 – 2014
Giảng viên hướng dẫn : 1. ThS. Lương Hùng Tiến
2. ThS. Nguyễn Thị Đoàn

Thái Nguyên, năm 2014




LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực
của bản thân tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của các cá nhân và tập thể.
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ThS. Lương Hùng Tiến đã
tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu để thực
hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Thị Đoàn, giảng viên khoa
CNSH – CNTP trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, đã nhận xét, góp ý
cho khóa luận của tôi.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tập thể các Thầy, Cô giáo và cán bộ của
Khoa CNSH – CNTP trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã cung cấp
các kiến thức tiền đề để tôi hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ
tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2014

Sinh viên thực hiện khóa luận



Hoàng Văn Thế

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT










Từ viết tắt Tên đầy đủ
TSC
Trisodium citrate
UV-Vis
Ultraviolet–visible
TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua
SEM
Kính hiển vi điện tử quét

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích. 6

Bảng 2.2: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano bạc 9

Bảng 3.1: Nồng độ dung dịch nano bạc pha loãng 27

Bảng 4.1: Kết quả đo độ hấp thụ cực đại của 3 mẫu dung dịch nano bạc bằng máy
UV-Vis ở nồng độ 100 ppm. 29

Bảng 4.2: Nồng độ dung dịch nano bạc pha loãng 37

Bảng 4.3: Kết quả kháng Salmonella của các nồng độ nano bạc 39

Bảng 4.4: Kết quả kháng Bacillus cereus của các nồng độ nano bạc 40





DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc. 5

Hình 2.2: Hiện tượng cộng hưởng plasmon của hạt hình cầu 7

Hình 2.3: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn 10

Hình 2.4: Vi khuẩn Salmonella 14

Hình 2.5: Bacillus cereus trên kính hiển vi 17

Hình 3.1: Sơ đồ đánh giá hoạt tính kháng VSV của nano bạc 28

Hình 4.1: Phổ UV-Vis của dung dịch hạt nano bạc sản xuất ở các mức nhiệt độ . 29

Hình 4.2: Hình ảnh hạt nano tạo thành ở nhiệt độ 80
o
C 30

Hình 4.3: Hình ảnh hạt nano bạc tạo thành ở nhiệt độ 85
o
C 31

Hình 4.4: Hình ảnh hạt nano bạc tạo thành ở nhiệt độ 90
o
C 31

Hình 4.5: Nano bạc nhỏ TSC 2s/giọt 32

Hình 4.6: Nano bạc nhỏ TSC 5s/giọt 32

Hình 4.7: Nano bạc nhỏ TSC 8s/giọt 33

Hình 4.8: Nano bạc nhỏ TSC 11s/giọt 33

Hình 4.9: Quy trình sản xuất hạt nano bạc 35

Hình 4.10: Tổng hợp nano bạc 36

Hình 4.11: Dung dịch nano bạc ở các nồng độ khác nhau 36

Hình 4.12: Ảnh chụp TEM của nano bạc với nhiệt độ 85
o
C 37

Hình 4.13: Hình ảnh kháng Salmonella của các nồng độ nano bạc khác nhau 39

Hình 4.14: Hình ảnh kháng Bacillus cereus của các nồng độ nano bạc khác nhau.
40






MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2. Mục đích nghiên cứu 2

1.3. Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1. Giới thiệu chung về nano bạc 3

2.1.1. Giới thiệu về công nghệ nano 3

2.1.2. Hạt nano bạc 6

2.2. Giới thiệu về vi khuẩn 13

2.2.1. Khái niệm chung về vi khuẩn 13

2.2.2. Vi khuẩn Salmonella 14

2.2.3. Vi khuẩn Bacillus cereus 16

2.3. Tình hình nghiên cứu các hạt bạc trong nước và trên thế giới 18

2.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 18

2.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 19

PHẦN 3: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1. Vật liệu và trang thiết bị sử dụng 23

3.1.1. Vật liệu 23

3.1.2. Trang thiết bị sử dụng 23

3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu 24

3.3. Nội dung nghiên cứu 24

3.4. Phương pháp nghiên cứu 24





3.4.1. Tổng hợp nano bạc 24

3.4.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm 25

3.4.3. Phương pháp xác định tính chất của nano bạc 26

3.4.4. Phương pháp xác định hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc 27

PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

4.1. Kết quả nội dung 1: Nghiên cứu quy trình sản xuất nano bạc bằng phương
pháp hóa học 29

4.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ sản xuất đến tính chất của nano bạc 29

4.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ nhỏ dịch lên cấu trúc hạt 32

4.1.3. Quy trình tổng hợp hạt nano bạc 34

4.2. Kết quả nội dung 2: Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu nano bạc
trên vi khuẩn Salmonella và Bacillus cereus 37

4.2.1. Chuẩn bị các dung dịch nano bạc 37

4.2.2. Khả năng kháng Salmonella của dung dịch nano bạc 37

4.2.3. Khả năng kháng Bacillus cereus của dung dịch nano bạc 39

Phần 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 41

5.1. Kết luận 41

5.2. Đề nghị 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42



1

PHẦN 1
MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề
Bạc được biết đến như một nguyên tố có khả năng khử trùng mạnh tồn
tại trong tự nhiên. Các đây 200 năm các nhà khoa học đã xem huyết thanh
người như là một dịch keo, vì vậy keo bạc đã được sử dụng làm chất kháng
khuẩn ngay trong cơ thể con người. Kể từ đó keo bạc được sử dụng rộng rãi
để chữa các bệnh nấm trên da, điều trị các vết thương, vết bỏng, các bệnh

răng miệng, làm thuốc nhỏ mắt. Tuy nhiên, sau khi thuốc kháng sinh được
phát minh (giữa thế kỉ 20) với hiệu lực khử trùng mạnh hơn, keo bạc đã bị
thay thế dần. Nhưng chỉ 30 năm sau đó người ta đã nhận ra rằng có rất nhiều
loài vi khuẩn có khả năng chống lại những tác dụng của thuốc kháng sinh và
vấn đề này ngày càng trở nên đáng lo ngại. Lúc này tính năng kháng khuẩn
của bạc lại được chú ý do có phổ tác dụng rộng và không bị hạn chế bởi hiệu
ứng kháng thuốc [18
]
, [ 3]. Ngày nay, việc tạo ra các vật thể kích thước nano
đã trở nên phổ biến, ở kích thước này các hạt vật chất thể hiện nhiều tính chất
lý-hóa khác thường so với khi vật chất đó ở trạng thái khối, khả năng kháng
khuẩn của nó cao hơn 20-60 ngàn lần so với ion Ag
+
[3]. Các hạt nano bạc với
năng lượng bề mặt lớn có khả năng giải phóng từ từ các ion bạc vào trong
dung dịch, nhờ vậy nano bạc có hiệu lực khử khuẩn mạnh hơn rất nhiều lần và
kéo dài hơn so với các bạc ở dạng keo, dạng ion hay dạng rắn [18], [19].
Chính những tính chất lượng tử đặc biệt này nên nano bạc sẽ bị biến thể trong
gian bảo quản, để ổn định được nó cần phải có một phương pháp chế tạo đặc
biệt giúp cho khả năng sử dụng được triệt để hơn.
Vi khuẩn Salmonella (Gram âm) và Bacillus cereus (Gram dương) là
hai loài vi khuẩn phân bố rộng rãi trong tự nhiên (đất, nước, cơ thể người,
động vật …), là loài vi khuẩn tồn tại rất phổ biến trong nông sản và thực
phẩm [19]. Theo các báo cáo của cục vệ sinh an toàn thực phẩm (năm 2012)
vi khuẩn Salmonella và vi khuẩn Bacillus cereus là nguyên nhân của 70% vụ
ngộ độc thực phẩm từ vi sinh vật. Hiện nay, để hạn chế sự phát triển của vi


2

sinh vật trong thực phẩm, đặc biệt là hai vi khuẩn Salmonella và Bacillus
cereus các nhà sản xuất thường sử dụng các kỹ thuật bảo quản, các vật liệu để
bao gói như: Kỹ thuật bảo quản lạnh, lạnh đông, kỹ thuật sấy thực phẩm, kỹ
thuật sử dụng khí plasma, kỹ thuật chiếu xạ, hay các màng bao polimer, các
chất kháng vi sinh vật (nisin,…). Tuy nhiên, các kỹ thuật, hay các vật liệu nêu
trên thường có hạn chế là chỉ xử lý được đối với từng loại thực phẩm, ví dụ,
thực phẩm tươi sống, thực phẩm từ động vật, thực vật do sự khác nhau về cấu
trúc, tính chất. Hơn nữa, các kỹ thuật nêu trên thường có chi phí đầu tư thiết
bị cao, hoặc có giá thành cao, chưa tự sản xuất trong nước được,… Vấn đề
cấp thiết đặt ra là tìm được các kỹ thuật, hoặc vật liệu có khả năng ức chế
mạnh mẽ sự phát triển của các vi sinh vật gây độc thực phẩm với giá thành
chi phí thấp, có thể chủ động sản xuất trong nước, để sử dụng trong bảo quản
thực phẩm. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu tiến hành đề tài “Nghiên cứu quy
trình sản xuất nano bạc tạo chế phẩm kháng vi sinh vật”.
1.2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu được quy trình chế tạo hạt nano bạc tạo chế phẩm kháng
vi sinh vật.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu được quy trình chế taọ hạt nano bạc.
- Khảo sát được tính chất của dung dịch nano bạc chế tạo bằng phân
tích quang phổ hấp thụ UV-Vis và chụp ảnh bằng FE-SEM, TEM.
- Xác định được khả năng đối kháng của sản phẩm nano bạc đối với vi
khuẩn Salmonella và vi khuẩn Bacillus cereus.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả của đê tài sẽ là cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo
của việc chế tạo hạt nano kim loại bằng phương pháp hóa học. Các kết quả
của đề tài cũng là cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo của nano bạc
như chất sát khuẩn trong y tế, môi trường, thực phẩm, xúc tác hóa học, chất
trừ nấm bệnh trong công nghiệp…

3

PHẦN 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1. Giới thiệu chung về nano bạc
2.1.1. Giới thiệu về công nghệ nano

2.1.1.1. Khái niệm và nguồn gốc của công nghệ nano
Công nghệ nano là nghành 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 nanomet (nm, 1nm = 10
-9
m) [21]. Ở
kích thước nano, vật liệu sẽ có tính năng đặc biệt mà vật liệu khác không có
được đó chính là do sự thu nhỏ kích thước và việc tăng diện tích bề 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 [21].
2.1.1.2. Phân loại vật liệu nano
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano. Sau đây là một cách phân
loại dựa vào hình dáng vật liệu [2]:
- Vật liệu không chiều là vật liệu mà ba chiều đều có kích thước nano,
ví dụ: chấm lượng tử
- Vật liệu một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,

ví dụ: dây nano, ống nano,…
- Vật liệu hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano,
ví dụ: màng mỏng,…(Chiều ở đây có nghĩa là chiều chuyển động không bị
hạn chế bởi kích thước của phần tử tải điện).


4

Ngoài ra, còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó
chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có các
phần không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau [24].
2.1.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano
Công nghệ nano dựa trên ba cơ sở khoa học chính [14]:
a. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử:
Khác với vật liệu khối, khi ở kích thước nano thì các tính chất lượng tử
được thể hiện rất rõ ràng. Vì vậy khi nghiên cứu vật liệu nano chúng ta cần
tính tới các thăng giáng ngẫu nhiên. Càng ở kích thước nhỏ thì các tính chất
lượng tử càng thể hiện một cách rõ ràng hơn. Ví dụ, một chấm lượng tử có thể
được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một
nguyên tử.
b. Hiệu ứng bề mặt:
Cùng một khối lượng nhưng khi ở kích thước nano chúng có diện tích
bề mặt lớn hơn rất nhiều so với khi chúng ở dạng khối. Điều này, có ý nghĩa
rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano có liên quan tới khả năng
tiếp xúc bề mặt của vật liệu, như trong các ứng dụng vật liệu nano làm chất
diệt khuẩn. Đây là một tính chất quan trọng làm nên sự khác biệt của vật liệu
có kích thước nanomet so với vật liệu ở dạng khối [1].
c. Kích thước tới hạn:
Kích thước tới hạn là kích thước mà ở đó vật giữ nguyên các tính chất
về vật lý, hóa học khi ở dạng khối. Nếu kích thước vật liệu mà nhỏ hơn kích

thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Nếu ta giảm kích thước
của vật liệu đến kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của vùng ánh sáng thấy được
(400-700 nm), theo Mie hiện tượng "cộng hưởng plasmon bề mặt" xảy ra và
ánh sáng quan sát được sẽ thay đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng xảy ra
hiện tượng cộng hưởng. Hay như tính dẫn điện của vật liệu khi tới kích thước
tới hạn thì không tuân theo định luật Ohm nữa. Mà lúc này điện trở của chúng
sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Mỗi vật liệu đều có những kích thước tới
hạn khác nhau và bản thân trong một vật liệu cũng có nhiều kích thước tới hạn


5

ứng với các tính chất khác nhau của chúng [11]. Bởi vậy khi nghiên cứu vật liệu
nano chúng ta cần xác định rõ tính chất sẽ nghiên cứu là gì. Chính nhờ những
tính chất lý thú của vật liệu ở kích thước tới hạn nên công nghệ nano có ý nghĩa
quan trọng và thu hút được sự chú ý đặc biệt của các nhà nghiên cứu.
2.1.1.4. 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 [26].
- 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 [22].

Hình 2.1: Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc.
(Nguồn: />moi/2-hat-nano-kim-loai.html)


6

- 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 [23].
2.1.2. Hạt nano bạc
2.1.2.1. 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 2.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [10].
Kích thước của hạt
nano Ag (nm)
Số nguyên tử chứa
trong đó
1 31
5 3900
20 250000
Bạc nano là vật liệu có diện tích bề mặt riêng rất lớn, có những đặc tính
độc đáo sau [10], [13]:
- 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.
- 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.

7

2.1.2.2. Tính chất lý học của hạt nano bạc
a. Tính chất quang
- Phổ hấp thụ của hạt nano bạc
Phổ hấp thụ của hạt nano bạc nằm trong khoảng từ 400 - 460 nm [15].
Phổ hấp thụ của hạt nano bạc phụ thuộc vào kích thước của hạt nano bạc. Khi
kích thước hạt tăng thì cường độ đỉnh tăng và dịch về phía bước sóng dài.
Kích thước hạt nano bạc phụ thuộc vào các yếu tố trong quá trình chế tạo hạt
nano bạc. Với cùng một điều kiện, phương pháp chế tạo khác nhau thì đỉnh
hấp thụ của hạt nano bạc cũng khác nhau. Cùng một phương pháp, khi thay
đổi điều kiện phản ứng như nồng độ chất tham gia phản ứng, tỉ lệ chất bao
phủ, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng thì phổ hấp thụ cũng có sự thay
đổi.
- Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt
Tính chất quang học của hạt nano bạc trong thủy tinh làm cho các sản
phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau. Các hiện tượng đó bắt nguồn từ
hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon resonance) là hiện
tượng khi hạt ở kích thước nano, các điện tử tự do trong hạt nano bạc tương
tác với trường điện từ ngoài dẫn đến sự hình thành các dao động đồng pha với
một tần số cộng hưởng nhất định. Các hạt nano bạc sẽ hấp thụ mạnh photon
tới ở đúng tần số cộng hưởng này [29].





Hình 2.2: Hiện tượng cộng hưởng plasmon của hạt hình cầu

(Nguồn:


8

Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới
tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường 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 đường tự do trung bình của điện tử
nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của hạt nano bạc nhỏ hơn quãng
đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ
dao động cộng hưởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của
hạt nano bạc có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá
trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ
phân bố lại trong hạt nano bạc làm cho hạt nano bạc bị phân cực điện tạo
thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc
vào nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano bạc và
môi trường xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất [2].
Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM_transmission electron
microcope) để quan sát hình dạng và kích thước hạt nano bạc và sử dụng thiết
bị đo phổ hấp thụ UV-Vis để quan sát hiệu ứng cộng hưởng plasmon của hạt
nano bạc [14].
Ngoài ra, mật độ hạt nano bạc cũng ảnh hưởng đến tính chất quang.
Nếu mật độ loãng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì
phải tính đến ảnh hưởng của quá trình tương tác giữa các hạt [2].
b. Tính chất điện
Bạc là một kim loại dẫn điện tốt nhất trong các kim loại. Bạc có mật
độ điện tử tự do cao nên điện trở của bạc rất nhỏ [2].
Đối với vật liệu bạc ở dạng khối, các lý thuyết về độ dẫn được tính
toán dựa trên cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại do

tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ với dao động
nhiệt của nút mạng (phonon). Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại
(dòng điện I) dưới tác dụng của điện trường (U) có liên hệ với nhau thông qua
định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm
cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính [2].


9

Khi kích thước của vật liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm
làm rời rạc hóa cấu trúc vùng năng lượng. Hệ quả của quá trình lượng tử hóa
này đối với hạt nano bạc là I-U không còn tuyến tính nữa mà xuất hiện một
hiệu ứng gọi là hiệu ứng chắn Coulomb (Coulomb blockade) làm cho đường I-U
bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác nhau một lượng e/2C đối với U và
e/RC đối với I. Trong đó e là điện tích của điện tử, C và R là điện dung và
điện trở khoảng nối hạt nano với điện cực [2].
c. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy T
m
của vật liệu phụ thuộc vào mức độ 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 vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở
bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn.
Như vậy, khi kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm [29].
d. Hiệu ứng bề mặt
Khi hạt bạc có kích thước nanomet, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ
chiếm tỉ phần 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 nm khác biệt so với vật liệu bạc ở dạng khối.

Sự tăng cường khả năng diệt khuẩn bạc là một ví dụ của hiệu ứng bề mặt [29].
Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước,
hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Vật liệu ở bất cứ kích thước
nào cũng có hiệu ứng bề mặt, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu
ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua [2].
Bảng 2.2: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano bạc [2]
Đường kính hạt nano (nm) 10 5 2 1
Số nguyên tử 30.000 4.000 250 30
Tỉ số nguyên tử bề mặt (%) 20 40 80 90
Năng lượng bề mặt (erg/mol) 4,08×10
11

8,16×10
11

2,04×10
12

9,23×10
1
2

Năng lượng bề mặt/Năng
lượng tổng (%)
7,6 14,3 35,3 82,2


10

2.1.2.3. Tính kháng khuẩn của nano bạc

a. Cơ chế kháng khuẩn của nano bạc
Nano bạc được nghiên cứu ứng dụng vào việc kháng khuẩn vì bạc là
kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ. Nano bạc không gây phản
ứng phụ, không gây độc cho người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc
bằng nồng độ diệt khuẩn (khoảng nồng độ <100ppm) [20].

Tuy nhiên cho tới nay, cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc vẫn chưa
được hiểu biết rõ ràng. Có giả thiết cho rằng sự tương tác mạnh của ion Ag
+

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.
Sau đó sẽ đi vào bên trong tế bào vi khuẩn tác động lên S và P, chìa khóa cho
khả năng diệt khuẩn của nó [16, 12, 17]. Vì S và P xuất hiện nhiều trong
màng tế bào nên khi hạt nano bạc tương tác với S chứa trong protein bên
trong hoặc bên ngoài màng tế bào thì có thể biến đổi chức năng của tế bào.
Đồng thời các hạt bạc có kích thước nhỏ chui vào trong tế bào, kết hợp với
các enzym hay DNA có chứa nhóm hydrosunfua – SH hoặc phosphat gây bất
hoạt enzyme hay DNA dẫn đến gấy chết tế bào [17].
Hình 2.3: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn

Trước sự gia tăng của dòng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh điển hình
là Staphylococcus aureus hay các loại vi nấm gây bệnh thực vật thiếu thuốc
đặc trị thì việc lựa chọn các chế phẩm chứa nano bạc đang rất được quan tâm.

Thông thường nồng độ bạc sử dụng cho việc kháng khuẩn và sát trùng rất
thấp, ví dụ như khoảng 5ppm cho việc diệt vi khuẩn Esherichia coli hiệu quả
đến 999% và khuẩn Staphylococcus aureus là hơn 99% [17], [9].

11

b. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn của nano bạc
Kích thước, hình dạng hạt, nồng độ và sự phân bố là các yếu tố ảnh
hưởng trực tiếp đến tính kháng khuẩn của keo nano bạc.

- Kích thước hạt nano bạc
Yếu tố quan trọng quyết định khả năng diệt khuẩn của chúng. Hạt nano
bạc có kích thước càng nhỏ thì khả năng diệt khuẩn của chúng càng mạnh, vì
khi ở kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa diện tích bề mặt và thể tích càng lớn
và hạt cũng có thể dễ dàng tương tác với vi khuẩn hơn. Tuy nhiên, các hạt có
kích thước nhỏ lại có khuynh hướng liên kết với nhau trong quá trình lưu trữ
tạo thành các hạt lớn hơn gây ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn và bảo quản
keo nano bạc. Do đó trong quá trình chế tạo chúng ta phải tìm ra các phương
pháp vừa tạo ra hạt nano bạc có kích thước nhỏ vừa bền vững [12].

- Hình dạng

Các hạt nano có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau như hình que,
hình cầu, hình tam giác,… Và sự thể hiện của các hạt nano bạc với cùng nồng
độ, sự phân bố nhưng với các hình dạng khác nhau là không giống nhau. Các
hạt nano bạc có hình tam giác cụt tính kháng khuẩn cao hơn các hạt hình cầu
và các hạt nano que có tính kháng khuẩn thấp nhất [12], [17].

- Nồng độ

Keo nano bạc có nồng độ càng cao và sự phân bố đều thì khả năng diệt
khuẩn càng tốt. Tuy nhiên, khi nồng độ quá cao, do năng lượng bề mặt hạt
nano lớn, nên các hạt nano bạc sẽ va chạm vào nhau và phá vỡ cấu trúc nano.
Vì vậy chúng ta cũng cần tìm nồng độ thích hợp để các hạt phân bố đồng đều,

và tránh kết tủa [12].
2.1.2.4. Các phương pháp chế tạo hạt nano kim loại [26]
a. 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.


12

b. 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.
c. 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 .
d. 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
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.
e. 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 .
2.1.2.5. Ứng dụng của nano bạc trong cuộc sống
a. Xúc tác
Nano bạc với diện tích bề mặt lớn và năng lượng bề mặt cao rất hữu ích
trong việc sử dụng làm xúc tác. Khi được sử dụng làm xúc tác thì các hạt


13

nano bạc thường được phủ lên các chất mang là silica phẳng, alumina
…chúng có tác dụng làm nền giữ cho các hạt nano bạc bám trên các chất
mang đồng thời có thể làm tăng độ bền, tăng tính chất xúc tác. Ngoài ra, hoạt tính
xúc tác phụ thuộc vào kích thước của các hạt nano bạc dùng làm xúc tác [27].
b. Xử lý nước uống sạch
Với đời sống đang ngày càng được nâng cao như hiện nay, đồng thời
yêu cầu nước uống sạch của con người ngày càng thay đổi: nước uống sạch
nhưng phải đảm bảo đã được diệt trùng. Việc ứng dụng nano bạc phủ lên PU
(Polyurethane) dùng trong xử lý nước uống cũng được đặt ra và hứa hẹn sẽ là
một hướng ứng dụng mang nhiều lợi ích thật sự thiết thực trong đời sống [27].
c. Ngành dệt may
Nano bạc với tính năng diệt khuẩn cao từ 98-99% khi đưa vào xơ sợi,
khả năng phân tán và bám trên bề mặt xơ sợi tốt, cũng như không độc hại nên
được sử dụng trong ngành dệt may giúp tạo ra các loại vải có chức năng sát
khuẩn [28]. Các sản phẩm dệt may có ứng dụng nano bạc được sử dụng trong
các dụng cụ cần phải có tính sát trùng cao như găng tay, quần áo dùng trong y

tế, và các sản phẩm cần khử mùi hôi tránh sự khó chịu…
2.2. Giới thiệu về vi khuẩn
2.2.1. Khái niệm chung về vi khuẩn
Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, có cấu trúc tế bào đơn giản không
có màng nhân (Prokaryote – sinh vật nhân sơ). Vi khuẩn hiện diện ở khắp mọi
nơi trong đất, nước, không khí v.v. Có rất nhiều chủng vi khuẩn, và mỗi
chủng vi khuẩn đều có sự khác nhau về đặc tính và hình thái [6].
Vi khuẩn có nhiều hình dáng khác nhau và được gọi với tên gọi theo
hình dạng của chúng như trực khuẩn (Bacillus), hình cầu, xoắn khuẩn
(Spirillum), hình que, cầu khuẩn (coccus)… hình dáng vi khuẩn là một đặc
điểm quan trọng để nhận dạng các chi được đặt tên theo hình dạng [8].
Vi khuẩn có ích hoặc có hại cho môi trường, thực vật và động vật bao
gồm cả con người. Một số tác nhân gây bệnh như bệnh uốn ván (tetanus), sốt
thương hàn (typhoid fover), giang mai (syphilis), tả (cholera), lao (tuberculosis)…[6].


14


2.2.2. Vi khuẩn Salmonella
2.2.2.1. Đặc điểm của vi khuẩn
Salmonella là vi khuẩn có dạng hình que thẳng, mập, ngắn, Gram âm,
hai đầu hơi tròn, kích thước 0,4 – 0,6 × 1 - 3µm.
- Sống kị khí tùy nghi
- Không hình thành giáp mô và nha bào
- Có khả năng di động nhờ lông mao có khoảng 7 đến 12 lông mao
xung quanh thân.
Salmonella dễ dàng nuôi cấy ở 37
o
C trên môi trường nuôi cấy bình

thường, chúng phát triển thành các khuẩn lạc có đường kính 2 – 4 mm, trơn,
sáng và đồng nhất [4].






Hình 2.4: Vi khuẩn Salmonella
(Nguồn:
Salmonella.html)
2.2.2.2. Đặc điểm nuôi cấy
Salmonella có thể phát hiện ở nhiệt độ ở 6
o
C–42
o
C, điều kiện tối thích
cho sự sinh trưởng của chúng là 37
o
C và ở điều kiện cực đoan như nhiệt độ
quá thấp hoặc quá cao Salmonella mất khả năng di động. Ở dưới 5
o
C chúng
ngừng phát triển, ở 60
o
C chúng chỉ sống được trong khoảng 1 giờ, ở 70
o
C bị
chết sau 10 phút [4].

15

pH thích hợp cho sự tăng trưởng nằm trong khoảng trung tính là 6,8–
7,2. Khoảng pH dành cho sự phát triển của vi khuẩn là 4,1–9. Độ ẩm dưới
0,49% hay nồng độ muối vượt quá 8% có thể ức chế hoàn toàn sự phát triển
của Salmonella [5].
2.2.2.3. Đặc điểm hóa sinh
Salmonella có những đặc tính sinh hóa chủ yếu mà dựa vào đó người ta
có thể định hướng phân biệt với các vi khuẩn đường ruột khác. Phần lớn phân
loài Salmonella enterica subsp enterica gây bệnh cho động vật máu nóng.
Chúng lên men và sinh hơi: Glucoza, Mannit, Mantoza, Galactoza, Dulcitol,
Arabonoza, Sorbitol. Cũng ở nhóm này, hầu như các chủng vi khuẩn
Salmonella đều không lên men Lactoza và Saccaroza, không có khả năng tách
amine từ tryptophane. Chúng không sinh indol hoặc aceton và phân giải urea.
Phần lớn các chủng sinh hydrogen sulfide (H
2
S) và tách carboxyl (de-
carboxylate) từ ornithine và lysine. Chúng kém chịu nhiệt nhưng chịu được
một số hóa chất như brilliant green, sodium lauryl sulfite, selenite, sodium
tetrathionate. Những chất này được dùng để chọn lọc chúng từ mẫu thực
phẩm và nước [5].
2.2.2.4. Cơ chế gây bệnh
Salmonella là vi khuẩn đường ruột, vi khuẩn xâm nhập vào ruột rồi
phát triển, sau đó theo hệ thống bạch huyết và tuần hoàn gây nên tình trạng
nhiễm trùng huyết. Do đó, trong thời kỳ đầu, lấy máu người bệnh truyền cấy
sẽ phát hiện vi khuẩn. Vi khuẩn gây viêm ruột, phá hỏng tế bào niêm mạc
ruột, tiết ra độc tố. Độc tố này thấm qua thành ruột vào máu. Ngoài ra, vi
khuẩn trong hệ tuần hoàn cũng tiết ra nội độc tố (entorotoxin, cytotoxin). Nội
độc tố chủ yếu tác động trên hệ thần kinh vận động của huyết quản, làm giảm

độ bền của thành mao quản và giảm chức năng điều tiết thân nhiệt của cơ thể.
Các bệnh chính do Salmonella gây ra là sốt thương hàn và viêm ruột [5].


16


2.2.3. Vi khuẩn Bacillus cereus
2.2.3.1. Giới thiệu về vi khuẩn Bacillus cereus [6]
Giới: Bacteria
Ngành: Firmicutes
Lớp: Bacilli
Bộ: Bacillales
Họ: Bacillaceaem
Chi: Bacillus
Loài: Cereus
Trong chi bacillus này ngoài loài cereus còn có một số loài như:
• Bacillus subtilis
• Bacillus coagulans
• Bacillus thuringiensis
• Bacillus natto
• Paenibacillus larvae
Bacillus cereus là loài vi khuẩn hiếu khí, bào tử dạng hình ovan, có khả
năng sinh nha bào, được phát hiện đầu tiên trong một ca nhiễm độc thực phẩm
vào năm 1955. Từ những năm1972 đến 1986 có tới 52 trường hợp trúng độc
thực phẩm do Bacillus cereus được phát hiện và báo cáo chiếm khoảng 2% số
ca bệnh thực phẩm, trên thực tế con số này lớn hơn rất nhiều [6].
a. Đặc điểm hình thái Bacillus cereus
Bacillus cereus là trực khuẩn, Gram dương, tạo nội bào tử. Kích thước
0,5 – 1,5 x 2 - 4 µm. Vi khuẩn không tạo giáp mô, không có khả năng di động

[7].


17








Hình 2.5: Bacillus cereus trên kính hiển vi
(Nguồn:
b. Đặc điểm nuôi cấy [7]:
- Là loài vi khuẩn dễ mọc
- Hiếu khí tùy nghi.
- Nhiệt độ 5-50
0
C, tối ưu 35-40
0
C.
- pH 4,5-9,3, thích hợp 7-7,2
- Trên môi trường NA hay TSA sau 24 giờ tạo khóm lớn, nhăn nheo,
xù xì.
- Trên môi trường BA tạo dung huyết rộng.
- Trên môi trường MYP (Mannitol Egg Yolk Polymixin): khóm hồng
chung quanh có vòng sáng.
- Trên môi trường Mossel (thạch cereus selective agar): khóm to hồng
chung quanh có vòng sáng.

- Trên môi trường canh NB, TSB: đục tạo váng, sau có cặn lợn cợn
c. Tính chất sinh hóa [7]
- Trên môi trường đường: lên men glucose trong điều kiện hiếu khí và
kị khí, không lênmen mannitol.
- Khử nitrat thành nitrit.