Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lai trên cơ sở hạt nano bạc và nano carbon định hướng ứng dụng trong kháng khuẩn và cảm biến quang SERS tóm tắt luận án

MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ nano, các nhà khoa học và các nhà

công nghệ đang tập trung nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của vật liệu nano trong rất nhiều lĩnh
vực khác nhau như: y sinh, điện tử, năng lượng và mơi trường. Trong đó, do hiệu ứng kích thước
lượng tử và hiệu ứng bề mặt nên vật liệu dạng hạt nano như hạt nano kim loại quý (Au, Ag, Pt…)
đang thu hút được sự quan tâm chú ý của các nhóm nghiên cứu trên thế giới bởi những tiềm năng ứng
dụng của chúng trong y sinh. Bên cạnh đó, do khả năng tương thích sinh học và tương thích điện tử
mạnh nên các vật liệu nano carbon bao gồm ống nano carbon (CNTs) và tinh thể 2 chiều graphene
oxit (GO) cũng đang được nghiên cứu ứng dụng trong việc chế tạo các linh kiện điện tử tiên tiến như
cảm biến, điốt phát quang (LED).
Với một ý tưởng nhằm kết hợp các đặc tính ưu việt của từng vật liệu bao gồm khả năng kháng
vi sinh vật của hạt nano bạc (Ag) với khả năng tương thích sinh học và tương thích điện tử của vật
liệu nano carbon (CNTs hoặc GO), cấu trúc nano lai giữa hạt nano bạc và vật liệu nano carbon (AgnC) đã được đề xuất nghiên cứu, trong đó phần nền là vật liệu nano carbon và phần trên là hạt nano
bạc. Các hệ vật liệu nano lai này được kỳ vọng sẽ có nhiều đặc tính vật lý và sinh học tiên tiến ưu việt
mới mở ra triển vọng ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau.
Trên cơ sở đó, định hướng nghiên cứu của luận án là “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lai
trên cơ sở hạt nano bạc và nano carbon định hướng ứng dụng trong kháng khuẩn và cảm biến
quang SERS”.
2.

Mục tiêu của luận án

Với đề tài nghiên cứu dự kiến ở trên, mục tiêu của luận án đặt ra là:
-

Nghiên cứu chế tạo được các vật liệu nano lai Ag-nC và khảo sát các tính chất của chúng

-

Thử nghiệm khả năng ứng dụng của các hệ vật liệu nano lai chế tạo trong kháng khuẩn và cảm

biến quang
3.

Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Nghiên cứu xây dựng các quy trình cơng nghệ chế tạo và khảo sát đặc trưng hóa-

lý của các vật liệu nano bao gồm: Hạt nano bạc kim loại Ag-NPs; Vật liệu nano lai Ag/MWCNTs;
Vật liệu nano lai Ag/GO
Nội dung 2: Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn và nghiên cứu cơ chế kháng khuẩn của các hệ vật
liệu nano đối với 2 chủng vi khuẩn Escherichia coli và Staphylococcus aureus.
Nội dung 3: Nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng của hai hệ vật liệu nano lai Ag/MWCNTs,
Ag/GO cho cảm biến quang SERS (cảm biến dựa trên hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt)
phát hiện chất màu hữu cơ trong nước.
4.

Đối tượng nghiên cứu

-

Hạt nano bạc kim loại (Ag-NPs), vật liệu nano lai Ag/MWCNTs và Ag/GO

1


-

Các loại vi khuẩn như Escherichia coli (E. coli), Staphylococcus aureus (S. aureus)

-

Chất màu xanh methylene (MB)

5.

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

o

Cách tiếp cận trong quá trình nghiên cứu là từ kết quả thực nghiệm kết hợp với lý thuyết, các

kết quả tham khảo từ các công bố của các nhóm nghiên cứu trước đó nhằm giải thích, đánh giá, tối ưu
quy trình thực nghiệm.
o

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm. Một số các phương pháp thực nghiệm

và phân tích đề tài sử dụng gồm:
-

Phương pháp tổng hợp vật liệu nano lai: phương pháp khử quang hóa, phương pháp thủy nhiệt.

-

Phương pháp khảo sát đặc trưng hóa lý của vật liệu nano lai: phổ nhiễu xạ tia X (X-ray), hiển vi

điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), phổ hấp thụ UV-vis,

phổ tán xạ Raman, phổ hồng ngoại (FTIR).
-

Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu nano lai: phương pháp khuếch tán đĩa

(disc diffusion method)
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Làm chủ được các công nghệ chế tạo các loại vật liệu nano lai Ag/MWCNTs và Ag/GO. Đã

-

đưa ra quy trình cơng nghệ phù hợp để chế tạo các hệ vật liệu (Ag-NPs, Ag/MWCNTs, Ag/GO) bằng
phương pháp hóa học ướt.
-

Phân tích siêu cấu trúc về sự tương tác của các hệ vật liệu nano lai Ag-nC với hai chủng vi

khuẩn E. coli và S. aureus đã góp phần làm rõ hơn thêm các hiểu biết về cơ chế kháng khuẩn của các
hệ vật liệu nano lai này.
Cấu trúc nano lai cho khả năng tăng cường cường độ tán xạ Raman bề mặt do đó chúng có hệ

-

số tăng cường lớn hơn so với từng vật liệu nano đơn lẻ.
Ý nghĩa thực tiễn:
-

Hoạt tính kháng khuẩn của các hệ vật liệu nano lai có khả năng ức chế vi khuẩn tốt hơn so với

hạt nano bạc đơn lẻ. Do vậy vật liệu nano lai có thể ứng dụng hiệu quả trong các công nghệ diệt
khuẩn.
-

Kết quả thử nghiệm ứng dụng của các hệ vật liệu nano trong cảm biến quang SERS cho thấy

các hệ vật liệu nano lai thể hiện sự tăng cường hiệu suất SERS so với hạt nano bạc đơn lẻ. Kết quả
khảo sát cũng cho thấy các đế SERS sử dụng vật liệu nano lai có khả năng phát hiện MB trong nước
tốt với độ nhạy cao. Đây là tiền đề phát triển các loại cảm biến quang nhằm phát hiện nhanh các chất
ơ nhiễm trong nước.
7.

Những đóng góp mới của luận án

-

Điều khiển kích thước và hình dạng hạt nano bạc trên cơ sở thay đổi nguồn bức xạ (Bức xạ UV,

bức xạ mặt trời) và chất hoạt động bề mặt (axit oleic, polyvinyl pyrrolidone, Tween 80). Đặc biệt,

2


việc sử dụng bức xạ mặt trời cho phép tiết kiệm năng lượng, giảm thời gian chế tạo và nâng cao chất
lượng tinh thể của vật liệu nano.
-

Xây dựng thành cơng quy trình chế tạo vật liệu nano lai Ag/MWCNTs, Ag/GO bằng phương

pháp hóa học. Vật liệu nano lai tổng hợp được có kích thước hạt nano bạc nhỏ (8-10 nm) và khả năng
phân tán trong nước tốt. Khả năng kháng khuẩn (E. coli, S. aureus) của các hệ vật liệu nano lai Ag-nC
chế tạo theo phương pháp này tốt hơn so với hạt nano bạc ở cùng nồng độ.
-

Đã đề xuất mơ hình tổng hợp nhằm cung cấp các hiểu biết về cơ chế kháng khuẩn của các hệ

vật liệu nano lai.
-

Thử nghiệm thành công hệ vật liệu nano lai trong cảm biến SERS phát hiện chất màu MB trong

nước. Cảm biến dựa trên vật liệu nano lai có khả năng phát hiện MB trong khoảng 1-70 ppm với hệ số
tăng cường tán xạ Raman cao 2,41.107.
Cấu trúc của luận án
Luận án được chia thành 4 phần, gồm: Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Vật liệu nano lai
Ag/MWCNTs; Chương 3: Vật liệu nano lai Ag/GO;.Chương 4: Đánh gia khả năng ứng dụng của hệ
vật liệu trong kháng khuẩn và cảm biến quang SERS; Kết luận và kiến nghị
8.

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.

Hạt nano bạc kim loại (Ag-NPs)

Trong số các hạt nano kim loại quý, hạt nano bạc kim loại được quan tâm nghiên cứu nhiều do
chúng thể hiện các tính chất hóa lý đặc biệt như độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, sự tăng cường tán xạ
Raman bề mặt, ổn định hóa học, hoạt tính xúc tác và đặc biệt là hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm,
diệt virus cao. Bên cạnh đó hạt nano bạc với nồng độ nhỏ cho phép được minh chứng là an toàn với

các tế bào của con người nhưng là độc tố đối với các loại vi khuẩn, nấm và virus. Bởi vậy, hạt nano
bạc kim loại là vật liệu hứa hẹn cho các ứng dụng diệt khuẩn, diệt virus, cảm biến….
1.1.1. Tính chất của hạt nano bạc kim loại
a, Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, diệt virus
Hạt nano bạc là vật liệu có hoạt lực diệt vi sinh vật mạnh. Phổ diệt vi sinh vật của hạt nano bạc
rất rộng với nhiều loại vi sinh vật khác nhau bao gồm cả vi khuẩn, nấm, virut... Đặc tính diệt vi sinh
vật của hạt nano bạc phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thước, độ phân tán và nồng độ của hạt nano
bạc.
b,. Tính chất quang
Hạt nano bạc có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng rất mạnh. Các tính chất đặc biệt này của
hạt nano bạc là do các điện tử dẫn (điện tử tự do) trên bề mặt hạt kim loại dao động tập thể khi bị kích
thích bởi ánh sáng ở một bước sóng cụ thể. Các tính chất quang này của hạt nano bạc phụ thuộc mạnh
vào hình dạng, kích thước, sự kết tụ và mơi trường bao quanh chúng.
1.1.2. Một số ứng dụng của hạt nano bạc kim loại
Với các đặc tính ưu việt đã thể hiện, hạt nano bạc là vật liệu được nghiên cứu cho nhiều ứng
dụng như: công nghệ diệt vi sinh vật, cảm biến, xúc tác.... Trong mục này, chúng tôi tập trung giới
thiệu các ứng dụng của hạt nano bạc liên quan đến công nghệ diệt vi sinh vật và cảm biến SERS.

3


a, Ứng dụng cho các màng lọc nước, lọc khí và khử trùng
Hạt nano bạc vừa đóng vai trị diệt khuẩn, diệt vi sinh vật vừa đóng vai trị chất chống sự kết tụ
của các lớp màng sinh học (bio-films) lên các màng lọc. Để chế tạo các màng lọc, hạt nano bạc
thường được phủ lên các vật liệu nền như: vật liệu gốm, polymer...
b,. Ứng dụng trong cảm biến
Do khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng mạnh nên hạt nano bạc cũng được nghiên cứu ứng
dụng phổ biến trong lĩnh vực cảm biến. Nguyên tắc hoạt động của các loại cảm biến này là dựa trên
hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (Localized Plasmon Surface Resonance LPSR) và hiệu
ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS).

1.2. Các vật liệu nano carbon
1.2.1. Ống nano carbon (CNTs)
Ống nano carbon (CNTs) là vật liệu nano carbon dạng ống với đường kính ở kích thước nm (120 nm). Vật liệu ống CNTs có chiều dài từ vài nm đến μm. Ống nano carbon được phát hiện vào năm
1991 bởi Lijima. Với cấu trúc tinh thể đặc biệt và các tính chất cơ học quý (nhẹ, độ cứng rất lớn), tính
dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, tính chất phát xạ điện từ mạnh… Ống nano carbon đang được nghiên cứu ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và cơng nghệ
1.2.2. Graphene oxit (GO)
Việc bóc tách graphite oxit (một vật liệu được khám phá bởi Brodie vào năm 1859) tạo ra một
tấm graphene oxit bề dày một nguyên tử có thể phân tán tốt trong các dung mơi. GO có cấu trúc 2D
tương tự của dải graphene với nhiều nhóm chức chứa oxy trên bề mặt (-OH, -COOH). Với cấu trúc
đặc biệt này, GO có diện tích bề mặt lớn và khả năng phân tán tốt trong nước. Bởi vậy chúng được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như lọc nước, cảm biến, y sinh…
1.3. Vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc và nano carbon (Ag-nC)
1.3.1. Giới thiệu
Cấu trúc vật liệu nano lai giữa hạt nano bạc với vật liệu nano carbon (Ag-nC) đã được nghiên
cứu nhằm kết hợp các đặc tính ưu việt của hai loại vật liệu đồng thời khắc phục những hạn chế của hạt
nano bạc.
1.3.2. Tính chất và tiềm năng ứng dụng của vật liệu nano lai Ag-nC
1.3.2.1. Tính chất diệt vi sinh vật và ứng dụng trong khử trùng
Các nghiên cứu cho thấy tính diệt vi sinh vật của hệ vật liệu nano lai tăng cường so với hạt
nano bạc ở cùng nồng độ nano bạc. Đặc biệt, hệ vật liệu này cho thấy nồng độ tối thiểu diệt vi khuẩn
MICs thấp hơn so với hạt nano bạc. Ngoài ra, vật liệu nano carbon còn được coi như đế để gắn hay cố
định vật liệu lên các màng lọc dùng trong công nghệ diệt vi sinh vật.
1.3.2.2. Tính chất quang và ứng dụng cho cảm biến SERS
Bên cạnh khả năng diệt vi sinh vật vượt trội so với từng vật liệu riêng lẻ. Vật liệu nano lai AgnC cũng cho thấy sự tăng cường tính chất quang của hệ vật liệu. Đặc biệt, hệ vật liệu lai cho thấy khả
năng tăng cường tán xạ Raman bề mặt mạnh hơn so với từng vật liệu đơn lẻ . Điều này làm tăng khả
năng ứng dụng của hệ vật liệu cho lĩnh vực cảm biến quang SERS. Các cảm biến dựa trên hiệu ứng
tăng cường tán xạ Raman bề mặt có thể sử dụng để phát hiện chất màu, ion kim loại nặng, DNA …

4

Chương 2. Vật liệu nano lai Ag/MWCNTs
2.1. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Chế tạo hạt nano bạc (Ag-NPs) theo phương pháp quang hóa
Hạt nano bạcAg-NPs được chế tạo theo phương pháp quang hóa sử dụng phản ứng Tollens
(Hình 2.1). Quy trình chế tạo hạt nano bạc được trình bày chi tiết theo các điều kiện thí nghiệm dưới
đây (Bảng 2.1).

Hình 2.1 Sơ đồ quy
trình chế tạo hạt
nano bạc

Bảng 2.1. Tổng hợp các điều kiện chế tạo mẫu Ag-NPs
Mẫu
Ag-UV
Ag-AS
(pH=9)
Ag-pH7
Ag-pH13
Ag-PVP
Ag-Teen
80

AgNO3
1,7 g
(0,01 mol)
1,7 g
(0,01 mol)
1,7 g

(0,01 mol)
1,7g
(0,01 mol)
1,7 g
(0,01 mol)
1,7 g
(0,01 mol)

NaOH
0,62 g
(0,015mol)
0,62 g
(0,015 mol)
0,62 g
(0,015 mol)
0,62 g
(0,015 mol)
0,62 g
(0,015 mol)
0,62 g
(0,015 mol)

NH3
7 ml
7 ml
5 ml
10 ml

Chất hoạt động
bề mặt

2,5 ml axit oleic
(0,089 mol)
2,5 ml axit oleic
(0,089 mol)
2,5 ml axit oleic
(0,089 mol)
2,5 ml axit oleic
(0,089 mol)

7 ml

0,2 g PVP

7 ml

2,5 ml Tween
80

Glucose
2g
(0,011 mol)
2g
(0,011 mol)
2g
(0,011 mol)
2g
(0,011 mol)
2g
(0,011 mol)
2g

(0,011 mol)

Bức xạ
Bức xạ UV
Ánh sáng
Mặt trời
Ánh sáng
Mặt trời
Ánh sáng
Mặt trời
Ánh sáng
Mặt trời
Ánh sáng
Mặt trời

2.1.2. Chế tạo Ag/MWCNTs theo quy trình 2 bước sử dụng phương pháp hóa học
Vật liệu nano lai Ag/MWCNTs được tổng hợp bằng phương pháp khử ion phức bạc trên bề mặt
của ống nano carbon đã biến tính. Các thơng số chế tạo mẫu chi tiết được chỉ ra ở bảng 2.2. Quy trình
chế tạo mẫu được mơ tả theo sơ đồ dưới đây:

5


Hình 2.2 Sơ đồ quy trình biến tính
MWCNTs
Hình 2.3 Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano lai
Ag/MWCNT

Bảng 2.2 Tổng hợp các điều kiện chế tạo mẫu của Ag-CNTs
NaOH

NH3

Chất hoạt động bề Glucose
mặt
2,5 ml axit oleic
2g
(0,089 mol)
(0,011 mol)

Mẫu

AgNO3

Ag/MWCNTs
pH 7

1,7 g
(0,01 mol)

0,62 g
(0,015 mol)

5 ml

Ag/MWCNTs
pH 9

1,7 g
(0,01 mol)

0,62 g
(0,015 mol)

7 ml

2,5 ml axit oleic
(0,089 mol)

2g
(0,011 mol)

Ag/MWCNTs
pH 13

1,7 g
(0,01 mol)

0,62 g
(0,015 mol)

10 ml

2,5 ml axit oleic
(0,089 mol)

2g
(0,011 mol)

Ag/MWCNTs

PVP
Ag/MWCNTs
Teen 80

1,7 g
(0,01 mol)
1,7 g
(0,01 mol)

0,62 g
(0,015 mol)
0,62 g
(0,015 mol)

7 ml

0,2g PVP

7 ml

2,5 ml Tween 80

2g
(0,01 mol)
2g
(0,011 mol)

2.2. Cấu trúc và tính chất của hạt nano bạc kim loại (Ag-NPs)
2.2.1. Ảnh hưởng của nguồn bức xạ
Các kết quả TEM và HRTEM của các mẫu cho thấy hạt nano bạc chế tạo sử dụng bức xạ mặt

trời có kích thước nhỏ (5 nm), dạng cầu, còn hạt nano bạc chế tạo sử dụng bức xạ UV có kích thước
(10 nm), dạng bán cầu. Bởi vậy, nguồn sáng có ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt. Bên cạnh
đó phổ SAED của các mẫu cũng xác nhận sự tạo thành tinh thể bạc kim loại với cấu trúc lập phương
tâm mặt. Các kết quả này cũng được xác nhận bởi phổ UV-vis của các mẫu.

6


Hình 2.1. (A) Ảnh TEM; (B) phổ kích thước;
(C,D) Ảnh TEM và SAED;(E) HRTEM; (F) ảnh
phân tích FFT của hạt nano bạc chế tạo sử
dụng ánh sáng mặt trời (Ag-AS).

Hình 2.2. Phổ UV-vis của hạt nano bạc (a)
sử dụng ánh sáng mặt trời (Ag-AS) và (b)
bức xạ UV (Ag-UV) ở pH=9

Hình 2.3. (A) Ảnh TEM; (B) SAED; (C) HRTEM và
phân tích FFT của hạt nano bạc chế tạo sử dụng bức xạ
UV (Ag-UV); Hình chèn trong hình A là phổ phân bố
kích thước của hạt nano bạc.
2.2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch
Hình 2.7 là kết quả phân tích X-ray của các mẫu Ag sử dụng bức xạ mặt trời với các điều kiện
pH = 7, 9, 13. Kết quả phân tích X-ray chỉ ra sự hình thành của tinh thể bạc kim loại trong các mẫu.
Kết quả cũng chỉ ra độ kết tinh thấp của mẫu Ag tại pH = 13. Bên cạnh đó, tính tốn kích thước hạt
trung bình theo cơng thức Scherrer cho kết quả lần lượt là 7 nm, 15 nm, 13 nm ứng với pH = 7, pH =
9 và pH = 13. Hình 2. 8 là kết quả phân tích phổ hấp thụ của các mẫu bạc ở pH = 7, 9, 13. Kết quả cho

7

thấy sự thay đổi kích thước hạt nano bạc khi pH thay đổi. Kết quả này phù hợp với kết quả tính tốn
từ phổ X-ray của các mẫu. Kết quả phân tích X-ray và UV của các mẫu ở điều kiện pH khác nhau cho
thấy hạt nano bạc chế tạo ở độ pH=9 cho kích thước hạt nhỏ và độ kết tinh tốt nhất.

Hình 2.7. Phổ XRD của hạt nano Ag chế tạo ở
các điều kiện pH = 7, pH = 9, pH = 13 sử dụng
bức xạ mặt trời

Hình 2.4. Phổ UV-vis của hạt nano Ag chế tạo ở
các điều kiện (a) pH = 7, (b) pH = 9, (c) pH =
13 sử dụng bức xạ mặt trời

2.2.3. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt
Chúng tôi khảo sát sự ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt lên cấu trúc và tính chất hạt
nano bạc, chúng tơi sử dụng 3 chất hoạt động bề mặt là axit oleic, PVP, Tween 80 và khống chế điều
kiện pH =9.

Hình 2.5. Ảnh TEM của Ag-NPs (PVP) (A); Ag-NPs
(Tween 80) (B)

Hình 2.11. Phổ XRD của hạt nano Ag
chế tạo với các chất ổn định khác nhau
sử dụng bức xạ mặt trời (pH = 9)

Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của các mẫu hạt nano bạc chế tạo với các chất ổn định bề mặt
khác nhau được chỉ ra ở hình 2.10. Các đỉnh nhiễu xạ được xác định với các mặt tinh thể (111), (200),
(220) của mạng tinh thể lập phương tâm mặt của Ag kim loại. Điều này chứng tỏ hạt nano bạc được
tổng hợp thành công bằng phương pháp quang hóa sử dụng bức xạ mặt trời và các chất hoạt động bề
mặt như oleic, PVP, Tween 80.

Từ kết quả trên, chúng ta có thể thấy chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến kích thước và hình
dạng của hạt nano bạc. Hạt nano bạc khi sử dụng chất hoạt động bề mặt là axit oleic có kích thước hạt
nano bạc thu được là nhỏ nhất (cỡ 5-7 nm). Cơ chế ổn định của các chất hoạt động bề mặt được chỉ ra
ở các hình 2.11, 2.12, 2.13.

8


Dựa trên các kết quả phân tích ở trên, chúng ta có thể điều khiển kích thước và hình dạng hạt
nano bạc dựa vào các điều kiện thí nghiệm. Từ đó tìm ra điều kiện tối ưu để tổng hợp hạt nano bạc.
Thứ nhất, pH=9 là điều kiện tối ưu cho chế tạo hạt nano bạc với kích thước nhỏ và độ kết tinh tốt.
Thứ hai, kích thước và hình dạng hạt nano bạc có thể được điều khiển thơng qua thay đổi chất hoạt
động bề mặt. Với axit oleic hạt nano bạc chế tạo được có dạng cầu và kích thước nhỏ, với PVP hạt có
kích thước lớn hơn và có dạng lập phương ở cùng điều kiện chế tạo mẫu, đối với Tween hạt nano bạc
có dạng bán cầu và có kích thước lớn hơn. Ngồi ra, nguồn sáng kích thích cũng ảnh hưởng mạnh tới
hình dạng và kích thước hạt nano bạc.

Hình 2.11 Sự hình thành lớp ổn định của
ion oleate trên bề mặt hạt nano bạc [78]

Hình 2.12. Sự hình thành lớp bảo vệ PVP trên bề mặt hạt
nano bạc [59]

Hình 2.13 Sự hình thành lớp bảo vệ Tween
trên bề mặt hạt nano bạc [83]

Hình 2.14 Cơ chế hình thành hạt nano Ag
với kích thước và hình dáng thay đổi

2.3. Cấu trúc và tính chất của vật liệu nano lai Ag/MWCNTs

2.3.1. Sự hình thành của hạt nano bạc trên ống nano carbon đã biến tính (f-MWCNTs)
Quy trình chế tạo vật liệu nano lai Ag/MWCNTs theo phương pháp hóa học ướt được tiến hành
theo hai bước như trình bày ở trong hình 2.15.
Hình 2.16A, B là ảnh SEM và ảnh TEM của MWCNTs-biến tính và Ag/MWCNTs. Như quan sát ở
trên hình 2.A các ống nano MWCNTs sau biến tính trong axit đã được phân tách khá tốt. Kết quả
quan sát cũng đã cho thấy trên bề mặt của MWCNTs một lượng lớn các hạt nano bạc đã được hình
thành sau phản ứng khử ion bạc như chỉ ra ở hình 2.16 B. Các hạt nano bạc có dạng hình bán cầu và

9


phân bố trên bề mặt hoặc bên trong của ống nano carbon. Kích thước trung bình của hạt nano bạc trên
MWCNTs vào khoảng 8-10 nm.
Hình 2.15. Quy trình chế tạo
vật liệu nano lai Ag-MWCNTs
theo phương pháp hóa ướt (2
bước)

Hình 2.16 (A) Ảnh SEM của MWCNTs biến tính, (B)
Ảnh TEM của Ag-MWCNTs, (C) Ảnh HRTEM của AgMWCNTs, (D) phổ EDX của Ag-MWCNTs

Hình 2.17. Phổ nhiễu xạ tia X của hạt nano
Ag-NPs, MWCNTs và Ag-MWCNTs

Phổ XRD của mẫu MWCNTs, Ag-NPs và Ag/MWCNTs được chỉ ra ở Hình 2.17. Phổ XRD
của mẫu MWCNTs thể hiện các đỉnh đặc trưng tại các góc 2θ = 26,2o, 44,8o, và 54,3o tương ứng với
các mặt tinh thể (002), (100), (004) của ống nano carbons (JC PDS No. 01-0646). Sau khi đã phủ hạt
nano bạc, phổ XRD của Ag/MWCNTs xuất hiện ba đỉnh đặc trưng tại các góc 2θ = 38,2o, 44,4o, và
64,5o tương ứng với các mặt tinh thể (111), (200), (220) của bạc kim loại (JC PDS No. 04-0783).
Hình 2.18 trình bày kết quả phân tích phổ FTIR của 2 mẫu MWCNTs-biến tính và

Ag/MWCNTs. Kết quả phân tích FTIR cho thấy sự xuất hiện của dải hấp thụ tại 3447 cm-1 tương ứng
với dao động kéo của liên kết O-H. Liên kết đôi C=C của cấu trúc vịng thơm trong CNTs được tìm
thấy tại 1624 cm-1. Sự biến dạng của liên kết O-H trong nhóm chức –COOH được tìm thấy ở 1383
cm-1.[9][2]. Các kết quả phân tích phổ FTIR đã chỉ ra rằng có sự xuất hiện của các nhóm chức
hydroxyl (OH) và carboxyl (COOH) trên bề mặt của ống MWCNTs sau khi biến tính. Quan sát phổ
FTIR của Ag/MWCNTs cho thấy sự biến đổi mạnh về cường độ dải hấp thụ của các nhóm chức chứa
oxy. Điều này chứng tỏ có sự xuất hiện của các hạt nano bạc trên bề mặt của MWCNTs và sự khử nhẹ
các nhóm chức trong q trình tổng hợp bạc. Sự thay đổi cường độ dải hấp thụ của dao động kéo O-H
được cho là do sự tương tác giữa hạt nano bạc kim loại với nhóm chức –OH của MWCNTs. Sự dịch
chuyển của các đỉnh (1600, 1400 cm-1) và sự xuất hiện của đỉnh 1063 cm-1 trong phổ FTIR của
Ag/MWCNTs chứng minh rằng tương tác giữa hạt nano bạc với các nhóm chức thơng qua sự hình
thành liên kết phối chí hoặc tương tác tĩnh điện.

10


Hình 2.18 Phổ FTIR của MWCNT biến tính và
Ag-MWCNTs

Hình 2.19. Phổ Raman của (a) MWCNT-biến tính
và (b) Ag-MWCNT

Hình 2.19 chỉ ra phổ Raman của MWCNTs-biến tính và Ag/MWCNTs được kích thích bởi
nguồn laser với bước sóng 632,8 nm. Trong phổ Raman của MWCNTs xuất hiện các đỉnh tại 1326
cm-1 (band D) và tại 1572 cm-1 (band G). Band D đặc trưng cho các sai hỏng và sự mất trật tự của
nguyên tử carbon do sự dao động của liên kết sp3 giữa nguyên tử carbon và tạp chất, trong khi band G
đặc trưng cho mode trung tâm E2g được giải thích do các nguyên tử carbon liên kết trật tự sp2 [67]. Đối
với phổ Raman của Ag/MWCNTs cũng xuất hiện các đỉnh tương ứng tại 1315 cm-1 và 1592 cm-1 phù
hợp với các đỉnh đặc trưng của MWCNTs. Tuy nhiên, ở đây đã có sự dịch nhẹ band D về phía số sóng
nhỏ hơn so với MWCNTs-biến tính. Kết quả này chỉ ra sự mất trật tự ở mức độ cao của lớp carbon và

sự gia tăng của các sai hỏng trong quá trình khử phức bạctrên MWCNTs. Điều này chứng tỏ rằng
khung carbon của MWCNTs đã bị biến đổi sau khi phủ hạt nano bạc lên trên bề mặt của chúng.
Các kết quả phân tích trên cho thấy vật liệu lai Ag/MWCNTs được chế tạo thành công bằng
phương pháp quang hóa.
2.3.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến sự hình thành của vật liệu nano lai Ag-MWCNTs
Kết quả phân tích phổ XRD của các mẫu nano lai Ag/MWCNTs ở các điều kiện pH khác
nhau đều cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với các mặt tinh thể (111), (200),
(220) của tinh thể Ag kim loại (JC PDS No. 04-0783). Đỉnh nhiễu xạ tại 26,2o tương ứng với mặt tinh
thể (002) của ống nano carbon. Kết quả này đã khẳng định về sự hình thành của tinh thể nano bạc kim
loại trên MWCNTs. Ngoài ra với mẫu ở độ pH cao (pH=13) các đỉnh nhiễu xạ kém sắc nét hơn so với
các đỉnh nhiễu xạ của các mẫu ở độ thấp hơn (pH=7, pH=9).

11


Hình 2.20. Phổ nhiễu xạ tia X của Ag/MWCNTs
chế tạo sử dụng bức xạ UV ở các điều kiện pH
dung dịch thay đổi pH = 7, pH = 9, pH = 13

Hình 2.22. Phổ UV-vis của Ag/MWCNTs chế
tạo sử dụng bức xạ UV ở các điều kiện pH thay
đổi (a) pH = 7, (b) pH = 9, (c) pH = 13

Hình 2.22. chỉ ra kết quả phân tích phổ hấp thụ của các mẫu ở điều kiện pH khác nhau. Kết qua
cho thấy sự dịch đỉnh phổ hấp thụ điều này cho thấy kích thước hạt nano bạc bị thay đổi. Cường độ
đỉnh hấp thụujcuar mẫu pH=13 cho thấy chất lượng tính thể của mẫu thấp. Kết quả này phù hợp với
kết quả X-ray. Các quan sát cho thấy mẫu vật liệu lai có xu hướng biến đổi tương tự hạt nano bạc khi
thay đổi pH.

Hình 2.21. Ảnh hiển vi điện tử

của vật liệu nano lai
Ag/MWCNTs chế tạo sử dụng đèn
bức xạ UV và chất ổn định bề mặt
axit oleic và pH = 9.

2.3.3. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến sự hình thành của vật liệu nano lai Ag-CNTs
Chúng tôi nghiên cứu sự ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến sự hình thành hạt nano
bạc trên ống nano carbon. Các mẫu Ag/MWCNTs được chế tạo bằng phương pháp khử ion phức bạc
sử dụng chất ổn định là axit oleic, PVP, Tween 80.
Kết quả phân tích phổ XRD cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ tại 38,2o, 44,4o, 64,5o
Hình (2.23). Các đỉnh này tương ứng với các mặt tinh thể (111), (200), (220) của tinh thể Ag kim loại
(JC PDS No. 04-0783). Đỉnh nhiễu xạ tại 26,2o tương ứng với mặt tinh thể (002) của ống nano
carbon. Điều này chứng tỏ sự hình thành của tinh thể bạc kim loại trên bề mặt ống nano carbon. Tính
tốn kích thước hạt trung bình theo công thức Scherrer cho thấy các mẫu sử dụng axit oleic, PVP,
Tween 80 có kích thước lần lượt 12 nm, 19 nm, 30 nm. Kết quả này phù hợp với kết quả ảnh TEM
của mẫu sử dụng axit oleic. Ngoài ra sự biến đổi kích thước hạt nano bạc cũng có xu hướng tương tự
với trường hợp các mẫu nano bạc sử dụng các chất hoạt động bề mặt chế tạo bằng phương pháp quang
hóa.

12


Hình 2.23. Phổ X-ray của Ag/CNTs với các chất
hoạt động bề mặt khác nhau sử dụng bức xạ UV
(pH = 9)

Hình 2.24. Phổ UV-vis của (a) Ag/MWCNTs
(oleic); (b) Ag/MWCNTs (PVP); (c)
Ag/MWCNTs (Tween 80)

2.4. Kết luận chương 2
Hạt nano bạc được chế tạo thành cơng bởi phương pháp quang hóa. Kích thước và hình dáng
của hạt nano bạc có thể điều khiển được nhờ nguồn sáng kích thích, độ pH của phản ứng khử và các
chất hoạt động bề mặt. Bức xạ mặt trời, pH = 9, axit oleic là điều kiện tối ưu cho tổng hợp hạt nano
bạc có dạng cầu với kích thước nhỏ. Hạt nano Ag tổng hợp sử dụng bức xạ ánh sáng mặt trời đạt kích
thước khoảng 5 nm có dạng hình cầu với phân bố kích thước đều và phân tán tốt trong dung dịch
nước.
Vật liệu nano lai Ag/MWCNTs được tổng hợp thành công bằng quy trình hai bước. Đã đưa ra
được các điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp vật liệu nano lai Ag/MWCNTs với hạt nano bạc có kích
thước phân bố đều ( 10 nm) như độ pH = 9, chất hoạt động bề mặt: axit oleic.
Chương 3. Vật liệu lai Ag/GO
3.1. Cấu trúc và tính chất của Ag/GO chế tạo theo phương pháp quang hóa (2 bước)
3.1.1. Thực nghiệm
Dựa trên những điều kiện tối ưu đã khảo sát cho hệ vật liệu Ag/MWCNTs, vật liệu nano lai
Ag/GO được tổng hợp bằng phương pháp quang hóa với điều kiện pH=9, dùng axit oleic làm chất
hoạt động bề mặt (hình 3.2).

Hình 3.1. Quy trình chế tạo GO theo phương
pháp Hummer

13


Hình 3.2. Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu
lai Ag/GO theo phương pháp hóa

Hình 3.3. Sơ đồ quy trình 2 bước tổng hợp Ag/GO

3.1.2. Đặc trưng cấu trúc và tính chất của Ag/GO
Vật liệu nano lai Ag/GO được tổng hợp bằng phương pháp quang hóa sử dụng phản ứng

Tollens (Hình 3.3). Đặc trưng cấu trúc của vật liệu được khảo sát bởi kết quả nhiễu xạ tia X, ảnh
TEM. Sự gắn kết của hạt nano Ag lên bề mặt của GO được khảo sát bởi phổ FTIR và phổ UV.
Hình 3.4 Chỉ ra phổ X-ray của các mẫu GO, Ag-NPs và Ag/GO. Từ phổ X-ray của GO, xuất
hiện một định rộng tại 2θ=10,9o tương ứng với mặt tinh thể (002) của graphite với khoảng cách giữa
các lớp là 0,81 nm. Điều này chỉ ra rằng cấu trúc graphite đã được tách lớp và các nhóm chức đã được
đưa vào khoảng không gian giữa các lớp. Quan sát phổ X-ray của mẫu Ag/GO ta thấy sự xuất hiện
của các đỉnh nhiễu xạ ở 38,2o, 44,4o, 64,5o tương ứng với các mặt tinh thể (111), (200), (220) của tinh
thể Ag kim loại (JC PDS No. 04-0783). Điều này xác nhận sự hình thành của tinh thể bạc kim loại
trên bề mặt của GO.

Hình 3.4. Phổ X-ray của các mẫu GO, AgNPs, Ag/GO chế tạo theo phương pháp hóa
học

Hình 3. 1. Ảnh TEM của (a) hạt nano bạc Ag-NPs
và (b,c,d) vật liệu nano lai Ag/GO ở các độ phóng
đại khác nhau.

Hình 3.5 A cho thấy các hạt nano bạc với kích thước khoảng 5 nm được phân tán đều trong
nước thể hiện vai trị của bức xạ mặt trời trong q trình điều khiển sự phân tán của các hạt nano bạc.
Hình 3.5 b-d cho thấy sự xuất hiện một lượng lớn các hạt nano bạc trên bề mặt của GO. Kết quả tính
tốn từ ảnh TEM cho thấy hầu hết các hạt nano bạc có dạng hình cầu có kích thước tập trung ở
khoảng 7 nm.
Hình 3.6 chỉ ra phổ FTIR của GO và Ag/GO. Kết quả phân tích FTIR của GO cho thấy sự
xuất hiện của dải hấp thụ tại 3493 cm-1 tương ứng với dao động kéo của liên kết O-H. Một đỉnh khác

14


của nhóm chức chứa oxy cũng đã được phát hiện bao gồm cả nhóm CO2 tại 2359 cm-1. Liên kết đơi
C=C của cấu trúc vịng thơm trong cấu trúc nền carbon của GO được tìm thấy tại 1647 cm-1. Sự biến

dạng của liên kết O-H trong nhóm chức –COOH được tìm thấy ở 1383 cm-1. Phổ FTIR của Ag/GO
cho thấy sự thay đổi về cường độ dải hấp thụ của các nhóm chức chứa oxy. Điều này chứng tỏ có sự
xuất hiện của các hạt nano bạc trên bề mặt của GO và sự khử nhẹ các nhóm chức trong quá trình tổng
hợp bạc bằng glucose. Sự thay đổi cường độ dải hấp thụ của dao động kéo O-H được cho là do sự
tương tác giữa ion bạc kim loại với nhóm chức hydroxyl của GO. Sự dịch chuyển của các đỉnh khác
trong phổ FTIR của Ag/GO và sự xuất hiện của đỉnh 1071 cm-1 trong phổ FTIR của Ag/GO chứng
minh rằng tương tác giữa ion bạc với các nhóm chức thơng qua sự hình thành liên kết phối chí hoặc
tương tác tĩnh điện.
Hình 3.7 chỉ ra phổ raman của GO và Ag/GO được kích thích bởi bước sóng 632,8 nm. Trong
phổ raman của GO xuất hiện các đỉnh tại 1360 cm-1 (band D) và tại 1591 cm-1 (band G).. Đối với phổ
raman của Ag/GO cũng xuất hiện các đỉnh tương ứng tại 1338 cm-1 và 1594 cm-1 phù hợp với các
đỉnh đặc trưng của GO. Tuy nhiên, ở đây đã có sự dịch đỉnh band D (22 cm-1) về phía số sóng nhỏ
hơn so với GO.
Hình 3.8 là phổ UV-vis của GO, Ag-NPs, và vật liệu lai Ag/GO. Phổ UV-vis của GO chỉ ra hai
đỉnh hấp thụ tại 305 nm, 393 nm tương ứng với sự chuyển mức    trong liên kết C=O của miền
lai hóa sp3 và liên kết C-OH. Phổ UV-vis của Ag và Ag/GO xuất hiện đỉnh hấp thụ mạnh tai 428 và
435 nm do hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt của hạt nano bạc. Sự xuất hiện của đỉnh hấp thụ đặc
trưng này cũng xác nhận sự hình thành của hạt nao bạc trên GO. Tuy nhiên xuất hiện sự dịch đỉnh hấp
thụ về phía bước sóng dài khi nồng độ Ag-NPs tăng lên (hình 3.9). Điều này chứng tỏ có sự hình
thành các hạt nano bạc với kích thước lớn hơn khi nồng độ bạc tăng.
*

Hình 3.7. Phổ Raman của GO và Ag/GO

Hình 3.6. Phổ RTIR của GO và Ag/GO

Hình 3.8. Phổ UV của (a) GO,(b) Ag-NPs và (c)
Ag/GO

15

Hình 3.9. Phổ UV của các mẫu GO và Ag/GO
với tỉ lệ GO:Ag thay đổi


3.2. Cấu trúc và tính chất của vật liệu lai Ag/GO chế tạo theo phương pháp thủy nhiệt.
3.2.1. Thực nghiệm
Vật liệu nano lai Ag/GO được tổng hợp bằng phương pháp khử ion phức bạc trên bề mặt của
GO bằng PVP ở nhiệt độ, và áp suất cao (hình 3.10).

Hình 3.10. Quy trình chế tạo vật
liệu Ag/GO theo phương pháp thủy
nhiệt

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp điều kiện chế tạo mẫu Ag/GO bằng phương pháp thủy nhiệt
Mẫu
Ag/GO pH1
Ag/GO pH2
Ag/GO pH3
Ag/GO 1
Ag/GO 2
Ag/GO 3
Ag/GO 4

Nhiệt độ,
thời gian
160 oC, 90
phút
160 oC, 90
phút

160 oC, 90
phút
160 oC, 90
phút
160 oC, 90
phút
160 oC, 90
phút
160 oC, 90
phút

AgNO3
(mol/L)
10 mM

NH3
(ml)
0,5 ml

AgNO3/PVP
(m/m)*
1:1

GO
(mg/ml)
0,5

10 mM

0,8 ml

1:1

0,5

10 mM

2,1 ml

1:1

0,5

50 mM

4 ml

1:1

0,5

100 mM

8 ml

1:1

0,5

10 mM

0,8 ml

2:1

0,5

10 mM

0,8 ml

1:2

0,5

3.2.2. Đặc trưng cấu trúc và tính chất của Ag/GO chế tạo theo phương pháp thủy nhiệt
a, Ảnh hưởng của pH dung dịch

Hình 3.11. (A) Phổ Xray và (B) phổ UV-vis
của các mẫu Ag-GO ở
điều kiện pH=7, 9, 13

Hình 3.11 a trình bày kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của vật liệu nano lai Ag/GO chế tạo ở
các điều kiện pH=7, pH=9, pH=13. Có ba đỉnh nhiễu xạ ở 38,2o, 44,4o, 64,5o được quan sát tương ứng

16


với các mặt tinh thể (111), (200), (220) của tinh thể Ag kim loại (tra theo mã thể chuẩn JC PDS No.
04-0783). Điều này đã chứng tỏ sự tạo thành của các nano tinh thể bạc kim loại trên bề mặt của GO.

Kết quả phân tích phổ hấp thụ của các mẫu Ag/GO chế tạo ở các điều kiện pH=7, pH=9, pH=13 được
trình bày ở hình 3.11b. Phổ UV-vis của các mẫu cho thấy đỉnh hấp thụ tại 294 nm và 435 nm. Trong
đó đỉnh 435 nm là dải hấp thụ đặc trưng của hạt nano bạc do hiệu ứng plasmon bề mặt gây ra, đặc
trưng này xác nhận tinh thể nano bạc đã hình thành.
b, Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng AgNO3:PVP
Hình 3.12 A trình bày kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của các mẫu. Kết quả cho thấy sự xuất
hiện của các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của bạc kim loại ứng với các mặt (111), (200), (220).
Kết quả UV-vis của các mẫu với tỉ lệ Ag:PVP 1:0,5, 1:1, và 1:2 được trình bày ở hình 3.12B.
Kết quả cho thấy trong phổ UV-vis của các mẫu xuất hiện đỉnh hấp thụ cực đại đặc trưng cho nano
bạc tại các giá trị là 438, 434, 429 nm tương ứng với các mẫu có tỉ lệ AgNO3:PVP lần lượt là 1:0,5,
1:1, và 1:2. Bên cạnh đó, sự dịch đỉnh phổ về phía bước sóng ngắn khi lượng PVP tăng là do kích
thước hạt nano bạc trên bề mặt GO giảm,
Hình 3.13A chỉ ra kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của các mẫu Ag/GO với nồng độ Ag+ đầu
vào lần lượt là 10 mM, 50 mM, 100 mM. Kết quả cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ đặc
trưng của bạc kim loại ứng với các mặt (111), (200), (220). Chứng tỏ sự hình thành tinh thể bạc kim
loại trên GO. Kết quả X-ray và UV-vis chỉ ra nồng độ AgNO3 10 mM điều kiện tối ưu để chế tạo
Ag/GO.

Hình 3.12. (A)
Phổ X-ray và
(B) phổ UV-vis
của các mẫu AgGO với tỉ lệ PVP
khác nhau

Hình 3.13. (a) Phổ
X-ray và (b) phổ
UV-vis của các mẫu
Ag-GO với nồng độ
ion Ag+ khác nhau

3.3. Kết luận chương 3
Đã xây dựng thành cơng quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu nano lai Ag/GO theo phương
pháp quang hóa. Nghiên cứu các đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu đã tổng hợp được. Vật
liệu nano lai với hạt nano bạc có kích thước phân bố đều ~ 7-10 nm được chế tạo ở điều kiện pH=9,
sử dụng bức xạ UV, axit oleic làm chất hoạt động bề mặt. Đây là phương pháp sử dụng các hóa chất
thân thiện mơi trường. Các mẫu chế tạo được có khả năng phân tán tốt trong nước.
Tổng hợp thành công vật liệu nano lai Ag/GO theo phương pháp thủy nhiệt. Khảo sát các yếu
tố ảnh hưởng đến sự hình thành của hạt nano bạc trên bề mặt GO. Đã đưa ra được các điều kiện tối ưu

17


cho việc tổng hợp vật liệu nano lai Ag/GO như độ pH=9, tỉ lệ AgNO3:PVP là 1:2 , nồng độ ion Ag+
đầu vào là 10 mM. Đây là phương pháp đơn giản, ít sử dụng hóa chất, thời gian chế tạo ngắn, thuận
lợi cho việc chế tạo mẫu bột và có thể chế tạo với số lượng lớn.
Chương 4. Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano lai trong diệt khuẩn và cảm biến
quang SERS
4.1. Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano lai trong diệt khuẩn
4.1.1. Phương pháp thực nghiệm
a, Phương pháp khoanh giấy (vịng vơ khuẩn)

Các bước tiến hành như sau:
Bước 1: Chuẩn bị khoanh giấy thấm (Whatman No 1) sấy vô trùng.
Bước 2: Sử dụng giấy thấm ngâm vào các nồng độ Ag (30, 50 μg/ml), Ag/MWCNTs (10, 20,
30, 50 μg/ml), Ag/GO (20, 50 μg/ml) khác nhau sau đó đặt lên trên bề mặt của đĩa thạch nơi
đã phết vi khuẩn (Đĩa thạch đã nuôi vi khuẩn (E.Coli và S.aureus ) nồng độ 105-106 CFU/ml).
Bước 3: Các đĩa được ủ tại nhiệt độ 37o trong thời gian 24h
Bước 4: Quan sát và chụp ảnh sau 24 giờ dựa trên vành lan tỏa xung quanh khoanh giấy thấm
về khả năng mọc của vi khuẩn.
b, Kĩ thuật lát cắt siêu mỏng trong hiển vi điện tử

Kĩ thuật được trình bày theo quy trình như chỉ ra ở hình 4.1.

Hình 4.1 Sơ đồ quy trình của kĩ
thuật lát cắt siêu mỏng

4.1.2. Hoạt tính diệt khuẩn
Hình 4.2 chỉ ra ảnh kết quả thử nghiệm kháng khuẩn của Ag-NPs (mẫu số 1) và Ag/MWCNTs
với các nồng độ từ 10 μg/ml đến 50 μg/ml đối với vi khuẩn E. coli (mẫu số 21, 22, 23, 24) và vi khuẩn
S. aureus (các mẫu số 29, 30, 31, 32). Các mẫu Ag-NPs và Ag/MWCNTs đều cho thấy khả năng ức
chế vi khuẩn E. coli và S. aureus tốt.

Hình 4.2. Hoạt tính kháng
khuẩn của Ag-NPs và
Ag/MWCNTs thử nghiệm
đối với vi khuẩn E. coli và
S. aureus

18


Hình 4.3 chỉ ra thử nghiệm kháng khuẩn của Ag-NPs nồng độ 50 μg/ml (mẫu số 5), GO nồng
độ 50 μg/ml (mẫu số 6) và Ag/GO ở các nồng độ 20 μg/ml, 50 μg/ml (mẫu số 7, 8) với cả hai loại vi
khuẩn E.coli và S. aureus. Kết quả cho thấy vật liệu lai Ag/GO có khả năng ức chế vi khuẩn tốt. Mẫu
GO khơng thấy xuất hiện vịng vơ khuẩn.

Hình 4.3. Hoạt tính kháng khuẩn của Ag-NPs, GO và Ag/GO thử
nghiệm đối với vi khuẩn
E. coli và S. aureus

Hình 4.4 Bán kính vịng vơ khuẩn của

Ag-NPs, GO và Ag/GO thử nghiệm đối
với 2 chủng vi khuẩn E. coli và S.
aureus

Các kết quả tính tốn bán kính vịng vơ khuẩn đã chỉ ra vật liệu lai có khả năng kháng khuẩn tốt
hơn so với hạt nano bạc (hình 4.4). Đặc biệt là đối với khuẩn E. coli.
4.1.3. Cơ chế diệt khuẩn
a,. Tương tác của Ag-NPs với tế bào vi khuẩn
Hình 4.5 là ảnh TEM của các giai đoạn tương tác của Ag-NPs với vi khuẩn tại 0 phút, 15 phút
và 30 phút. Có thể thấy rằng các hạt nano Ag liên kết với các màng tế bào và xuyên phá màng tế bào.
Hình 4.6 chỉ ra cơ chế kháng khuẩn của Ag-NPs.
Nhìn chung, cho đến nay cơ chế diệt khuẩn của hạt nano bạc chủ yếu được giải thích là do
phương thức tương tác của nó với các vi sinh vật. Trong đó sự ức chế màng tế bào, mất cân bằng oxy
hóa (ROS) và sự giải phóng ion Ag1+ là ba cơ chế chủ yếu để giải thích về hoạt tính kháng khuẩn của
hạt nano bạc

Hình 4.5. Ảnh TEM các giai đoạn tương tác của
Ag-NPs với 2 chủng vi khuẩn E.coli và S.aureus
tại các thời điểm ban đầu 0 phút, và sau khi
tương tác 15 phút và 30 phút.

Hình 4.6. Mơ hình cơ chế kháng khuẩn
của hạt nano bạc Ag-NPs

19


b, Tương tác của Ag/MWCNTs với tế bào vi khuẩn
Phân tích siêu cấu trúc của chúng tơi chỉ ra xuất hiện một lượng lớn vật liệu nano lai
Ag/MWCNTs gắn kết với lớp thành các tế bào gây ra sự phá vỡ của các màng tế bào, làm gián đoạn

chức năng của chúng do đó dẫn tới tiêu diệt tế bào (hình 4.7). Sự tăng cường hoạt tính kháng khuẩn
của vật liệu nano lai Ag/MWCNTs so với Ag-NPs cho thấy vai trò quan trọng của MWCNTs trong
tương tác với tế bào vi khuẩn.

Hình 4.8. Mơ hình cơ chế diệt khuẩn của
vật liệu nano lai Ag/MWCNTs

Hình 4.7. Ảnh TEM các giai đoạn tương tác của
Ag/MWCNTs với 2 chủng vi khuẩn E.coli và
S.aureus
c, Tương tác của GO và Ag/GO với tế bào vi khuẩn

Hình 4.9 và 4. 10 là ảnh TEM các giai đoạn tương tác so sánh của tấm GO, hạt nano Ag-NPs
và vật liệu nano lai Ag/GO với 2 chủng vi khuẩn E.coli và S. aureus tại 0 phút, 15 phút và 30 phút. Có
thể quan sát được ở hình 4.9 các kết quả siêu cấu trúc của chúng tôi chi ra rằng các tấm GO nhỏ có thể
bao bọc các tế bào vi khuẩn trong khi sự kết tụ dải GO lớn có thể bẫy các tế bào vi khuẩn.
Nhìn chung, vật liệu nano lai Ag-nC thể hiện khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với hạt nano
bạc và vật liệu nano carbon. Cơ chế kháng khuẩn của hệ vật liệu có sự đóng góp của cả Ag-NPs và
vật liệu nano carbon. Đối với cơ chế tương tác vật lý vai trò của từng vật liệu được thể hiện rõ như
hình 4.12

Hình 4.1. Ảnh TEM các giai đoạn tương tác của
GO với vi khuẩn E. coli và S. aureus tại 0 phút,
15 phút và 30 phút.

Hình 4.2. Mơ hình cơ chế kháng khuẩn của vật
liệu GO

20

Hình 4.3. Ảnh TEM các giai đoạn tương tác của
Ag/GO với vi khuẩn E. coli và S. aureus tại 0 phút,
15 phút và 30 phút.

Hình 4.12. Mơ hình cơ chế kháng khuẩn
của vật liệu Ag/GO

4.2. Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nano lai trong cảm biến quang SERS
4.2.1. Phát hiện chất màu hữu cơ trong dung dịch nước
a, Đặc trưng SERS của hạt nano bạc Ag-NPs
Hình 4.13a trình bày phổ tán xạ Raman thường của chất màu MB và hạt nano bạc Ag-NPs.
Như quan sát trong hình, phổ Raman của chất màu MB xuất hiện ba đỉnh tán xạ đặc trưng ở 446,
1385, 1621 cm-1 tương ứng với các liên kết C-N-C, C-H, và liên kết vịng C-C [159]. Hình 4.13b trình
bày phổ SERS của MB hấp thụ trên đế có phủ hạt nano bạc (nồng độ 500ppm) với các nồng độ MB
thay đổi trong dải nghiên cứu từ 1-70 ppm.
Kết quả phân tích cho thấy sự phụ thuộc tuyến tính tốt của cường độ các đỉnh theo nồng độ
MB với hệ số tương quan khá cao (hình 4.14). Hệ số tương quan tính tốn đối với đỉnh phổ đặc trưng
ở 450 cm-1 đạt giá trị cao nhất R2=0,97.
Hình 4.13 (A) Phổ Raman
thường của Ag (500ppm), và
chất màu MB; (B) phổ
SERS của MB hấp phụ trên
đế phủ hạt nano bạc (500
ppm) với các nồng độ chất
màu MB khác nhau từ 1-70
ppm
Hình 4.14. Giá trị cường độ
SERS tính tốn tương ứng
với 3 đỉnh phổ đặc trưng của

MB hấp phụ trên đế có phủ
hạt nano bạc Ag-NPs
b, Đặc trưng SERS của vật liệu nano lai Ag/MWCNTs
Tương tự như đối với trường hợp của Ag-NPs, kết quả phân tích phổ Raman của MB với các
nồng độ khác nhau trên đế SERS phủ Ag-MWCNTs cho thấy các đỉnh xuất hiện tại 449, 1395, 1621

21


cm-1 là các đỉnh Raman đặc trưng của phân tử MB. Tính tốn cường độ các đỉnh đặc trưng và lập hàm
tuyến tính theo nồng độ MB, ta thấy cường độ đỉnh 449 cm-1 nhạy với nồng độ MB với hệ số tương
quan cao (R2 =0,99). Đối với các đỉnh 1395, 1621 cm-1 sự phụ thuộc của cường độ của các đỉnh này
vào nồng độ MB với hệ số tuyến tính khá thấp. Điều này được cho là do sự chồng chập của vùng
Raman đặc trưng của phân tử MB với vùng đặc trưng của MWCNTs.
Hình 4.15. (A) Phổ
Raman của Ag/MWCNTs
(500ppm), MB; (B) phổ
SERS của MB với các
nồng độ từ 1-70 ppm trên
đế Ag/MWCNTs

Hình 4.16. Cường độ
các đỉnh phổ Raman của
Ag/MWCNTs theo nồng
độ MB khác nhau
Kết quả phân tích cho thấy sự phụ thuộc tuyến tính tốt của cường độ các đỉnh theo nồng độ MB
với hệ số tương quan khá cao (hình 4.16). Hệ số tương quan tính tốn đối với đỉnh phổ đặc trưng ở
450 cm-1 đạt giá trị cao nhất R2=0,99.
c, Đặc trưng SERS của vật liệu nano lai Ag-GO
Hình 4.17 chỉ ra phổ SERS của MB với các nồng độ từ 1-70 ppm trên đế SERS phủ Ag-GO.

Kết quả cho thấy các đỉnh Raman đặc trưng của phân tử MB xuất hiện tại 446, 1395, 1621 cm-1.
Cường độ của ba đỉnh đặc trưng này tăng khi nồng độ MB tăng. Điều này cho thấy cường độ của các
đỉnh Raman nhạy với nồng độ MB
Hình 4.17. (A) Phổ
Raman của Ag/GO
(200ppm), MB; (B)
phổ SERS của MB với
các nồng độ từ 1-70
ppm trên đế Ag/GO

Hình 4. 18. Cường độ
các đỉnh phổ Raman
của Ag/GO theo nồng
độ MB khác nhau

22


Kết quả phân tích cho thấy sự phụ thuộc tuyến tính tốt của cường độ các đỉnh theo nồng độ
MB với hệ số tương quan khá cao (hình 4.18). Hệ số tươg quan tính tốn đối với đỉnh phổ đặc trưng ở
1395 cm-1 đạt giá trị cao nhất R2=0,99.
4.3.2. Hệ số tăng cường
Hệ số tăng cường tán xạ Raman được xác định theo công thức:

EF 

I SERS Nbulk
I R Nsurf

[42]

(4.1)

Kết quả tính tốn đối với nồng độ MB ở 10 ppm, ta thu được:
Bảng 4.2. Hệ số tăng cường của các mẫu (nồng độ 10 ppm)

Vật liệu
Cường độ đỉnh 450
Hệ số tăng cường
Cường độ đỉnh 1394
Hệ số tăng cường
Cường độ đỉnh 1621
Hệ số tăng cường

Ag
1262
1,51.106
1892
2,45.105
1032
2,51.106

Ag/MWCNTs
3920
4,68.106
2784
3,6.105
3404
7,37.106

Ag/GO
4108
4,91.106
3812
4,93.105
9951
2,41.107

Sự tăng cường SERS của vật liệu Ag-nC có thể là do sự kết hợp của hai cơ chế là cơ chế tăng
cường trường điện từ (EM-Electromagnetic mechanism) và cơ chế tăng cường hóa học (CE-chemical
mechanism

Hình 4.19. Cơ chế tăng cường tán
xạ Raman bề mặt của vật liệu lai

4.4. Kết luận chương 4
Qua các kết quả nghiên cứu đã đạt được, chúng tôi đưa ra một số kết luận như sau:
Đã thử nghiệm và đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của các hệ vật liệu đối với hai chủng vi
khuẩn gram âm E. coli và gram dương S. aureus bằng phương pháp vịng vơ khuẩn. Kết quả cho thấy
hệ vật liệu nano lai Ag-nC có hoạt tính diệt khuẩn tốt hơn so với Ag-NPs.
Đã nghiên cứu tương tác của các hệ vật liệu với cả hai chủng vi khuẩn trên thơng qua phương
pháp phân tích siêu cấu trúc. Cơ chế tương tác vật lý trực tiếp giữa vật liệu nano lai với vi khuẩn đóng
vai trị quan trọng trong cơ chế kháng khuẩn của hệ vật liệu. Kết quả cũng chỉ ra sự đóng góp của cả
hai loại vật liệu Ag-NPs và vật liệu nano carbon vào cơ chế kháng khuẩn của vật liệu nano lai Ag-nC.
Đã thử nghiệm các hệ vật liệu nano lai trong cảm biến quang SERS để phát hiện và định lượng
chất màu hữu cơ MB trong nước. Kết quả đạt được chỉ ra rằng hệ vật liệu nano lai Ag-nC có hiệu suất
SERS tăng cường so với hạt nano bạc. Hệ số tăng cường đối với Ag-NPs, Ag/MWVNTs, Ag/GO đạt
được lần lượt là 1,51.106, 4,68.106, 2,14.107.

23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.

Đã nghiên cứu xây dựng thành cơng và làm chủ các quy trình cơng nghệ chế tạo và đánh giá

được các đặc trưng hóa-lý của các hệ vật liệu bao gồm:


Hạt nano bạc kim loại Ag-NPs (phương pháp hóa học)

-

Điều khiển kích thước và hình dạng của Ag-NPs (Nguồn sáng, pH, chất hoạt động bề mặt)

-

Đưa ra điều kiện tối ưu để chế tạo Ag-NPs (Bức xạ MT, pH=9, Oleic). Ag-NPs (5 nm, dạng

cầu, phân tán đều)


Vật liệu nano lai Ag/MWCNTs (biến tính+ phương pháp hóa học)

-

Đưa ra điều kiện tối ưu để chế tạo Ag/MWCNTs (Bức xạ UV, pH=9, Oleic). Hạt nano Ag-NPs

(~8-10 nm) được phân tán đều trên MWCNTs. Vật liệu nano lai chế tạo được có khả năng phân tán

nước tốt


Vật liệu nano lai Ag/GO (phương pháp hóa học, phương pháp thủy nhiệt)

-

Phương pháp hóa học: Ag/GO chế tạo ở điều kiện tối ưu (pH=9, bức xạ UV, axit oleic) với hạt

nano bạc có kích thước phân bố đều ~ 7-10 nm. Mẫu có khả năng phân tán tốt trong nước
-

Phương pháp thủy nhiệt: đã đưa ra được các điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp vật liệu nano lai

Ag/GO bao gồm pH=9, tỉ lệ AgNO3:PVP là 1:2, nồng độ ion AgNO3 đầu vào là 10 mM. Hạt nano bạc
có kích thước (~ 10 nm) phân tán đều trên bề mặt tấm GO.
2.

Đã đánh giá hoạt tính kháng khuẩn và nghiên cứu cơ chế kháng khuẩn của các hệ vật liệu nano

đối với 2 chủng vi khuẩn E.coli và vi khuẩn S. aureus.
-

Vật liệu nano lai thể hiện khả năng ức chế vi khuẩn tốt đối với cả hai chủng vi khuẩn, hoạt tính

kháng khuẩn của vật liệu nano lai đối với vi khuẩn E.coli mạnh hơn so với vi khuẩn S. aureus
-

Các vật liệu nano lai Ag/GO và Ag/MWCNTs thể hiện sự tăng cường hoạt tính kháng khuẩn so

với Ag-NPs
-

Đưa ra mơ hình và thảo luận cơ chế kháng khuẩn của hệ vật liệu lai với hai cơ chế gồm:

o

Cơ chế ứng suất màng

o

Cơ chế ứng suất oxy hóa

3.

Đã thử nghiệm thành công các hệ vật liệu nano lai cho cảm biến quang SERS phát hiện chất

màu MB trong nước.
-

Vật liệu nano lai (Ag/MWCNTs EF=7,37.106, Ag/GO EF= 2,41.107) biểu hiện sự tăng cường

hiệu suất SERS so với Ag-NPs (EF=2,51.106).
-

Dải hoạt động của cảm biến SERS: 1-70 ppm

Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo:
-

Nghiên cứu chế tạo các màng lọc nước, màng lọc khơng khí kháng khuẩn tích hợp các vật liệu

nano lai.
-

Nghiên cứu thử nghiệm vật liệu nano lai trong cảm biến SERS phát hiện các ion kim loại nặng

như As(III,V) và Pb(II)…

24