Chế tạo và nghiên cứu quá trình hấp thụ plasmon của các hạt nano bạc nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn escherichia coli

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hà Duy Hiền
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
PLASMON CỦA CÁC HẠT NANO BẠC NHẰM
ỨNG DỤNG TRONG DIỆT KHUẨN ESCHERICHIA COLI

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Thái Nguyên - 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Hà Duy Hiền
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
PLASMON CỦA CÁC HẠT NANO BẠC NHẰM
ỨNG DỤNG TRONG DIỆT KHUẨN ESCHERICHIA COLI
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8840110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Xuân Hòa

Thái Nguyên - 2018


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Vũ Xuân Hòa –
người thày đã hướng dẫn, định hướng, hỗ trợ cho em trong suốt quá trình thực
hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm và tập thể các thầy cô khoa Vật lý
và Công nghệ, trường Đại học Khoa học – Đại học Thái nguyên, trong suốt hai
năm qua đã truyền thụ cho em những kiến thức quý báu để em hoàn thành luận
văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, chia
sẻ và giúp đỡ tôi thực hiện tốt luận văn này.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2018
Học viên

Hà Duy Hiền

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i
MỤC LỤC .......................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..................................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................ viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 3
1.1. Hạt keo nano bạc .................................................................................................. 3
1.1.1. Giới thiệu về hạt keo nano bạc ..................................................................... 3
1.1.2. Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt ..................................................... 4
1.2. Các phương pháp chế tạo hạt keo nano bạc ......................................................... 9
1.2.1. Phương pháp từ dưới lên (bottom-up) .......................................................... 9

1.2.2. Phương pháp quang .................................................................................... 10
1.3. Tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc ............................................................ 15
1.3.1. Cơ chế kháng khuẩn của hạt keo nano bạc ................................................. 15
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn của keo nano bạc .............. 17
1.3.3. Ảnh hưởng của hạt keo nano bạc đến sức khỏe con người ........................ 18
1.4. Ứng dụng của hạt keo nano bạc ......................................................................... 18
1.5. Khái quát về vi khuẩn ........................................................................................ 20
1.5.1. Khái niệm chung về vi khuẩn ..................................................................... 21
1.5.2. Vi khuẩn Gram âm “Escherichia coli” ....................................................... 21
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC ..................................... 22
2.1. Trang thiết bị, vật liệu và hóa chất sử dụng ....................................................... 22
2.1.1. Các dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ................................................................ 22
2.1.2. Các hoá chất sử dụng .................................................................................. 22
2.2. Chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu .............................................................. 22
2.2.1. Phương pháp khử hóa học sử dụng citrate.................................................. 22
2.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu .................................. 24
2.3. Chế tạo các hạt nano bạc dạng đĩa bằng cảm quang dùng LED ........................ 26
2.3.1. Quy trình ..................................................................................................... 26
2.3.2. Ảnh hưởng của lượng TSC lên các đĩa AgNPs .......................................... 27
ii


2.4. Khảo sát tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc với khuẩn E.coli ................... 27
2.5. Các phương pháp khảo sát ................................................................................. 28
2.5.1. Phổ hấp thụ UV-Vis.................................................................................... 28
2.5.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope −TEM) .. 30
2.5.3 Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X ........................................................ 32
2.5.4. Phổ hấp thụ hồng ngoại .............................................................................. 33
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 36
3.1. Kết quả chế tạo các hạt keo nano bạc dạng cầu ................................................. 36

3.1.1. Phổ hấp thụ ................................................................................................. 36
3.1.2. Hình thái và kích thước hạt ......................................................................... 37
3.1.3. Phân tích cấu trúc........................................................................................ 37
3.1.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mẫu .................................. 39
3.2. Kết quả chế tạo các hạt nano bạc dạng đĩa dẹt................................................... 42
3.2.1. Phổ hấp thụ ................................................................................................. 42
3.2.2. Kích thước và hình dạng ............................................................................. 45
3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ TSC lên tính chất quang của hạt keo nano bạc ... 46
3.3. Tính ổn định của hạt keo nano bạc .................................................................... 50
3.4. Thí nghiệm khả năng diệt khuẩn Escherichia coli ............................................. 51
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.............................................. 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 54
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................... 59

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Tên đầy đủ

Tên tiếng Việt

1

AgNPs

Sliver nanoparicles

Nano bạc

2

SPR

Surface Plasmon Resonace

Cộng hưởng Plasmon bề mặt

3

UV-Vis

Ultraviolet − Visible

Máy đo quang phổ hấp thụ

4

TEM

5

FTIR

6

E. coli

Transmission Electron
Microsscopy
Fourrier Transformation
InfraRed

Kính hiển vi điện tử truyền qua

Phổ hồng ngoại
Vi khuẩn đại tràng

Escherichia coli

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt [14] ........................................ 4
Hình 1.2. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ plasmon bề mặt vào kích thước của thanh
nano vàng với các tỷ lệ tương quan: R  2,7 , R  3,3 [16] ................................... 8
Hình 1.3. Sơ đồ chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp ăn mòn laser .............. 10
Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của citrate ................................................................ 11
Hình 1.5. Phổ hấp thụ của dung dịch tiền chất Ag trước và sau khi thêm NaBH4 . 12
Hình 1.6. Phổ hấp thụ của dung dịch hỗn hợp gồm AgNO3, citrate và BSPP ... 12
Hình 1.7. Mô hình oxy hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus ..... 13
Hình 1.8. Sơ đồ quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác từ Ag dạng cầu ......14
Hình 1.9. Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình chuyển đổi hình thái học
theo Ref.. .................................................................................................. 14
Hình 1.10. Tác động của ion bạc lên vi khuẩn.................................................... 15

Hình 1.11. Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn ............... 15
Hình 1.12. Ion bạc liên kết với các base của DNA ............................................ 16
Hình 1.13. Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn bằng lực bám hút tĩnh điện
và phá vỡ cấu trúc màng...................................................................................... 16
Hình 1.14. Cơ chế diệt khuẩn của hạt keo nano bạc ........................................... 17
Hình 1.15. Một vài sản phẩm chứa hạt keo nano bạc ......................................... 19
Hình 1.16. Hình dạng của vi khuẩn E.coli quan sát dưới kính hiển vi .............. 21
Hình 2.1. Hình minh họa cơ chế phát triển mầm tạo thành các AgNPs bằng
phương pháp khử citrate...................................................................................... 23
Hình 2.2. a) Thí nghiệm chế tạo hạt nano bạc. ................................................... 23
b) Dung dịch hạt nano bạc sau khi chế tạo ......................................... 23
Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo mầm Ag ........................................................................ 26
Hình 2.4. Phát triển mầm bằng đèn LED với mật độ công suất 0,51 mW/cm2 .. 27
Hình 2.5. Hình ảnh đĩa Petri được đục lỗ để làm thí nghiệm thử kháng khuẩn . 28
Hình 2.6. Biểu diễn định luật Lamber-Beer ........................................................ 29
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo hấp thụ UV-Vis hai chùm tia................... 29
Hình 2.8. Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử truyền qua ......................................... 31
v


Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử truyền qua-TEM tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung
ương ............................................................................................................. 32
Hình 2.10. Giản đồ minh họa về mặt hình học của định luật Bragg................... 33
Hình 3.1. Phổ hấp thụ của hạt keo nano bạc có kích thước ~40 nm được tổng hợp
bằng phương pháp khử citrate ............................................................................. 36
Hình 3.2. a) Ảnh TEM của các hạt keo AgNPs; ................................................. 37
b) Xác suất phân bố kích thước hạt tương ứng ................................... 37
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu AgNPs với [TSC]/[AgNO3] = 5:1 .. 38
Hình 3.4. Phổ FTIR của các AgNPs với tỷ lệ [TSC]/[AgNO3] = 5:1 ................ 38
sau khi được tổng hợp ......................................................................................... 38

Hình 3.5. (a)- Phổ hấp thụ UV-vis của hạt keo nano bạc với tỷ lệ molTSC/AgNO3 khác
nhau. ................................................................................................................. 40
(b)-Cường độ đỉnh phổ hấp thụ plasmon như một hàm của tỷ lệ mol
TSC/AgNO3. ....................................................................................... 40
Hình 3.6. Dung dịch keo hạt nano bạc phụ thuộc vào thời gian phản ứng: ....... 41
(a)-Phổ hấp thụ UV-vis của AgNPs của 7 mẫu theo thời gian. .......... 41
(b)-Ảnh chụp dung dịch keo hạt nano bạc tương ứng. ....................... 41
(c)-Độ hấp thụ phụ thuộc vào thời gian phản ứng tương ứng (a). ...... 41
Hình 3.7. Dung dịch hạt nano bạc phụ thuộc vào độ pH của môi trường: ......... 41
(a)-Phổ hấp thụ UV-vis của các hạt nano bạc ứng với các giá trị pH khác
nhau. .................................................................................................... 41
(b)-Các cường độ hấp thụ cực đại tương ứng (a)................................ 41
Hình 3.8. Đặc trưng quang của các AgNPs (với [NaBH4]/[AgNO3] =5:4, 2,5 ml
TSC 2,5 mM) sau khi được chế tạo bằng phương pháp quang hóa. ................... 44
(a)- Phổ hấp thụ của các hạt AgNPs dạng mầm và các dạng tam giác
sau khi chiếu LED (thời gian chiếu 1 h, 2 h, 3 h, 4h). ........................ 44
(b)- Ảnh chụp dung dịch bạc sau khi hoàn thiện quy trình chế tạo .... 44
của các mẫu tương ứng với Hình a. .................................................... 44
Hình 3.9. Giải thích cơ chế hình thành phổ hấp thụ của của các nano đĩa bạc dạng
tam giác ............................................................................................................... 44
vi


Hình 3.10. Ảnh TEM của các hạt nano bạc sau khi chế tạo. .............................. 46
(a)-các mầm nano bạc. ...................................................................... 46
(b)-phân bố kích thước hạt tương ứng với ảnh a. ............................. 46
(c) và (d) là ảnh TEM của của các nano bạc dạng đĩa dẹt tam giác được
chế tạo bằng cách chiếu LED. .......................................................... 46
Hình 3.11. Tính chất quang của các mầm AgNPs với lượng TSC thay đổi. ...... 47
(a)-Phổ hấp thụ plasmon của các mầm AgNPs với lượng chất TSC lần

lượt 50, 100, 500, 1000, 2500 và 4000 µl. ........................................ 47
(b)- Ảnh chụp dung dịch chứa AgNPs mầm tương ứng với các ...... 47
mẫu hình a. ........................................................................................ 47
Hình 3.12. Tính chất quang của các hạt AgNPs phát triển theo thời gian với các
lượng TSC khác nhau. ......................................................................................... 49
(a), (b), (c) và (d) là phổ hấp thụ plasmon của các AgNPs ứng với các
thời gian chiếu LED là 1, 2, 3 và 4h. ................................................ 49
(e), (f), (g) và (h) là ảnh chụp kỹ thuật số các dung dịch chứa các
AgNPs theo các thời gian 1, 2, 3 và 4h tương ứng thay đổi lượng TSC
trong hình a, b, c và d. ....................................................................... 49
Hình 3.13. Phổ hấp thụ plasmon về sự ổn định của các hạt keo nano bạc
[TSC]/[AgNO3]=5:1 sau 2, 12, 21, 23, 30 và 43 ngày........................................ 50
Hình 3.14. Kết quả hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs được tổng hợp bằng tác
nhân khử citrate chống lại vi khuẩn E.coli. Vùng kháng khuẩn của các mẫu T3,
T4 và T5 lần lượt là 13 mm, 11 mm và 9 mm. ................................................... 51

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Sự liên quan đến kích thước và số nguyên tử trên bề mặt.................... 3
Bảng 2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ TSC/AgNO3 đến quá trình tổng hợp các
hạt keo nano bạc .................................................................................................. 24
Bảng 2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp các hạt keo
nano bạc............................................................................................................... 25
Bảng 2.3. Các điều kiện thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của pH ........... 25
Bảng 2.4. Bảng số liệu thay đổi lượng TSC lên sự tạo thành mầm .................... 27

viii

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây việc nghiên cứu hạt nano rất được quan tâm bởi
những tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng của nó [1-4]. Trong số các loại hạt
nano được nghiên cứu, ứng dụng thì hạt keo nano bạc đã gây được sự chú ý đặc
biệt bởi tính chất quang và khả năng kháng khuẩn vượt trội [5]. Trên thế giới,
nano bạc đã được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong rất nhiều các sản phẩm
gần gũi với đời sống như: tẩm trên băng cứu thương, phủ lên các loại sợi vải, sử
dụng để chống nhiễm khuẩn nước sinh hoạt, các đồ dùng cho trẻ em và những
năm gần đây đã có nhiều ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp [6]... Ở Việt Nam,
việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu nano nói chung, nano bạc nói riêng vẫn còn khá
mới mẻ và mới được tiến hành trong thời gian gần đây.
Tính chất quang của nano bạc phụ thuộc mạnh vào hình dạng và kích thước
do sự cộng hưởng và tán xạ Plasmon bề mặt [7,8]. Phổ hấp thụ trải rộng từ tử
ngoài gần đến vùng hồng ngoại, điều này cho nhiều ứng dụng lý thú trong y-sinh
học như hiện ảnh, tăng trưởng tán xạ Raman bề mặt, hiệu ứng quang nhiệt, làm
các cảm biến sinh học [9],..Ngoài ra, việc sử dụng tính chất cộng hưởng Plasmon
bề mặt như cảm biến sinh học còn để giám sát, cung cấp các thông tin về các quá
trình sinh học hay nó còn hứa hẹn các kết quả vô cùng đặc biệt về tương tác các
phân tử sinh học [10]. Hiện nay có nhiều nhóm trên thế giới đang nghiên cứu
nhiều về khả năng ứng dụng của hạt nano bạc như: kháng khuẩn, khử độc [11].
Tuy nhiên, việc nghiên cứu đầy đủ quá trình hấp thụ của các hạt nano bạc ở các
kích thước và hình dạng khác nhau vẫn còn thiếu, các cơ chế vật lý vẫn chưa được
lý giải thấu đáo. Vì vậy việc thực hiện đề tài “Chế tạo và nghiên cứu quá trình
hấp thụ Plasmon của các hạt nano bạc nhằm ứng dụng trong diệt khuẩn
Escherichia coli” là cần thiết hiện nay. Thành công của đề tài sẽ bổ sung vào kho
kiến thức về tính chất quang của nano bạc nói chung và phổ hấp thụ cộng hưởng
Plasmon nói riêng. Từ nghiên cứu quá trình hấp thụ có thể tìm ra được “cửa sổ”
quang học lý thú hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác trong y sinh học.
Mục tiêu của đề tài

1


Nghiên cứu quá trình hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt nano bạc
dạng cầu và hình dạng khác nhau, từ đó thử nghiệm trong diệt khuẩn E.coli.
Phạm vi nghiên cứu
Chế tạo và nghiên cứu quá trình hấp thụ cộng hưởng Plasmon của các hạt
nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác.
Phương pháp nghiên cứu
Chủ yếu nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm.
- Sử dụng lý thuyết Mie và Gans để giải thích cơ chế hấp thụ Plasmon của
các hạt kim loại nhỏ
- Sử dụng phương pháp hóa ướt để chế tạo hạt nano bạc bằng Sodium citrate
và sodium borohydride như là tác nhân khử. Phương pháp cảm quang dùng đèn
LED để chế tạo các hạt nano đĩa dẹt dạng tam giác.
- Các phương pháp phổ hấp thụ cộng hưởng và tán xạ Plasmon bề mặt, phổ
hồng ngoại để nghiên cứu các tính chất quang của hạt nano bạc
- Phương pháp đo SEM và TEM để xác định kích thước và hình thái hạt
nano
- Phổ XRD được sử dụng để nghiên cấu trúc pha của tinh thể bạc.
Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu trên các hạt nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác.
- Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn E.coli.
Nội dung nghiên cứu
- Chế tạo các hạt nano bạc dạng cầu, đĩa dẹt dạng tam giác
- Nghiên cứu quá trình hấp thụ của các hạt nano bạc chế tạo được
- Thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano bạc đối với khuẩn E.coli.
Báo cáo luận văn được trình bày trong 3 chương không kể phần mở đầu và
kết luận:
Chương 1. Tổng quan về các hạt keo nano bạc, các phương pháp chế tạo

và các tính chất của keo nano và các khả năng ứng dụng của nó.
Chương 2. Trình bày về thực nghiệm chế tạo mẫu. Các phương pháp khảo
sát đo đạc.
Chương 3. Trình bày về các kết quả và thảo luận các kết quả đạt được.
Chương 1
2


TỔNG QUAN
1.1. Hạt keo nano bạc
1.1.1. Giới thiệu về hạt keo nano bạc
Hạt keo nano bạc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm [12]. Trong khi thường
được miêu tả là "bạc", một số chứa một lượng lớn oxit bạc do tỷ lệ lớn các nguyên
tử bạc từ bề mặt đến khối lượng lớn. Rất nhiều hình dạng của các hạt nano có thể
được xây dựng tùy thuộc vào ứng dụng. Thường được sử dụng là các hạt nano bạc
hình cầu nhưng các viên kim cương, hình bát giác và tấm mỏng cũng rất phổ biến
[12].
Diện tích bề mặt cực lớn của chúng cho phép phối hợp một số lượng lớn
các phối tử. Các tính chất của các hạt nano bạc áp dụng cho các phương pháp điều
trị của con người đang được điều tra trong các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
và động vật, đánh giá tiềm năng hiệu quả, độc tính và chi phí.
− Cấu hình electron của bạc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1
− Bán kính nguyên tử Ag: 0.288 nm.
− Bán kính ion bạc: 0.23 nm.
Bảng 1.1. Sự liên quan đến kích thước và số nguyên tử trên bề mặt
Đường kính hạt nano
(nm)

Số nguyên tử

Tỉ số nguyên tử ở trên
bề mặt (%)

10

30.104

20

5

4.103

40

2

2,5.102

80

1

30

90

Hạt keo nano bạc thuộc hình dạng nano không chiều, có diện tích bề mặt
riêng rất lớn, có những đặc tính độc đáo sau [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,
không có phụ gia hóa chất.

3


- Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau (trong
các dung môi phân cực như: nước và trong các dung môi không phân cực như:
benzene, toluene).
- Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và
các tác nhân oxy hóa khử thông thường.
- Chi phí cho quá trình sản xuất thấp.
- Ổn định ở nhiệt độ cao.
1.1.2. Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt
Cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR) là sự kích thích tập thể đồng thời của
tất cả các điện tử “tự do” trong vùng dẫn tới một dao động đồng pha như Hình
1.1.

Hình 1.1. Sự tạo thành dao động Plasmon bề mặt [14]
Đối với các hạt có kích thước nhỏ, hiệu ứng SPR không lớn do hấp thụ không
mạnh. Đối với các hạt to hơn có kích thước vài chục nano mét, khi kích thước của
chúng còn nhỏ so với bước sóng ánh sáng thì ánh sáng nhìn thấy có thể kích thích
được SPR. Đối với cùng những hạt đó, năng lượng của Plasmon khối rất lớn (6-9
eV) [14, 15]. Rõ ràng rằng, bề mặt các hạt nano đóng vai trò rất quan trọng trong
việc quan sát SPR vì nó thay đổi các điều kiện biên cho khả năng phân cực của kim
loại và do đó dịch tần số cộng hưởng về tần số quang học. Trong nghĩa đó, hấp thụ
Plasmon bề mặt là một hiệu ứng của các hạt nhỏ (hoặc màng mỏng) nhưng chắc
chắn không phải là hiệu ứng kích thước lượng tử.
Hình 1.1 minh họa sự tạo thành của dao động Plasmon bề mặt. Điện trường

của sóng ánh sáng tới tạo nên phân cực của các điện tử dẫn (điện tử tự do) đối với
lõi ion nặng của một hạt nano cầu. Sự chênh lệch điện tích thực tế ở các biên của
4


hạt nano về phần của chúng hoạt động như: lực hồi phục (restoring force). Bằng
cách đó, một dao động lưỡng cực của các điện tử với chu kỳ T đã được tạo nên.
Hiệu ứng Plasmon bề mặt được giải thích bởi các lí thuyết của Mie và Gans.
a) Lý thuyết Mie
Đầu thế kỉ XX, Gustav Mie nghiên cứu tính chất của các hạt chất keo trong
dung dịch dạng lỏng để mô tả tính chất quang và điện của chúng. Ông đã phát
triển lí thuyết có khả năng mô tả toán học sự tán xạ ánh sáng tới của các hạt dạng
cầu nhúng trong một môi trường liên tục bằng cách giải phương trình Maxwell
khi cho sóng điện từ tương tác với một quả cầu nhỏ, có hằng số điện môi phụ
thuộc tần số tương tự vật liệu khối.
Theo các tính toán của Mie, chỉ có dao động lưỡng cực là ảnh hưởng đáng
kể tới thiết diện tắt dần Cext (kích thước hạt nano rất nhỏ so với bước sóng ánh
sáng tới: 2r < max/10). Thiết diện này được tính theo công thức:
Cext ( )  9


c

 m3 / 2V

[

 ( )
 ]  [ 2 ( ) ]2

2
( )  2
2
1
m

(1.1)

Từ lí thuyết này, ta cũng tính được thiết diện tán xạ Csca và thiết diện hấp
thụ Cabs với hạt cầu nhỏ:
Csca 


k 4V 2
27
2
 1 
2
2
18
 (1  2 2 )   2 

(1.2)

4
Trong đó: V  r 3 là thể tích hình cầu,  là tần số góc của ánh sáng tới,
3
c là tốc độ truyền của ánh sáng trong chân không, m và () = 1() + i2() là
hằng số điện môi của môi trường xung quanh và của vật liệu hạt. Đầu tiên ta giả
thiết là biểu thức độc lập với tần số và là một hàm phức phụ thuộc vào năng lượng,

điều kiện cộng hưởng được thỏa mãn khi 1    2 m nếu như  2 nhỏ hoặc phụ
thuộc yếu vào  . Phương trình trên đã được sử dụng để giải thích tổng quát phổ
hấp thụ của hạt nano kim loại nhỏ một cách định tính cũng như định lượng. Ngoài
ra người ta còn sử dụng mối liên hệ giữa thiết diện tán xạ (thiết diện dập tắt, thiết
diện hấp thụ) với hiệu suất tán xạ Q sca (hiệu suất dập tắt Qext , hiệu suất hấp thụ
Qabs ) Plasmon bề mặt theo các biểu thức:
5


Q sca 

C
C
C sca
, Q ext  ext , Q abs  abs
S
S
S

(1.3)

Trong đó S là diện tích tương ứng (với hạt cầu S   r2 , r là bán kính hạt cầu)
Tuy nhiên đối với các hạt nano lớn hơn (lớn hơn khoảng 20 nm trong trường
hợp của vàng) khi đó gần đúng lưỡng cực không còn hợp lệ, cộng hưởng Plasmon
bề mặt phụ thuộc rõ ràng vào kích thước của hạt r. Kích thước hạt càng lớn thì
các mode dao động càng cao hơn do ánh sáng lúc đó không còn phân cực hạt một
cách đồng nhất được nữa. Các mode dao động cao này có vị trí đỉnh phổ ở năng
lượng thấp hơn và do đó tần số dao động của Plasmon bề mặt cũng giảm khi kích
thước hạt tăng. Điều này được mô tả thực nghiệm và cũng tuân theo lý thuyết
Mie. Phổ hấp thụ quang phụ thuộc trực tiếp vào kích thước hạt được coi như các

hiệu ứng ngoài.
Lý thuyết Mie chứng minh rằng hệ số tắt không phụ thuộc vào kích thước
hạt đối với trường hợp các hạt có kích thước nhỏ hơn 20 nm.
Hầu hết các lý thuyết đưa ra đều giả thiết rằng hằng số điện môi của hạt
phụ thuộc vào kích thước  , r  với các hạt có đường kính trung bình nhỏ hơn
20 nm. Kreibig và Von Fragstein đề xướng tán xạ điện tử trên bề mặt tăng lên đối
với các hạt nhỏ khi mà quãng đường tự do trung bình của điện tử dẫn bị giới hạn
bởi kích thước vật lý của hạt. Quãng đường tự do trung bình của điện tử trong hạt
vàng và bạc lần lượt là 40 và 50 nm. Nếu các điện tử va chạm đàn hồi với bề mặt
hoàn toàn ngẫu nhiên, sự đồng pha dao động ngẫu nhiên bị mất. Sự va chạm không
đàn hồi với điện tử với bề mặt cũng làm thay đổi pha.
Hạt càng nhỏ thì các điện tử chạm tới bề mặt của hạt càng nhanh. Điện tử
sau đó có thể tán xạ trên bề mặt và mất tính đồng pha nhanh hơn là trong hạt có
kích thước lớn hơn. Do đó, độ rộng phổ Plasmon tăng khi bán kính của hạt giảm.
Drude đã đưa ra công thức diễn tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào kích
thước hạt D:

D 1

 p2
 2  i

6

,

(1.4)


Trong đó  2p  ne 2 /  0 meff là tần số của Plasmon khối trong ngôn ngữ mật

độ điện tử tự do n và điện tích e,  0 là hằng số điện môi trong chân không và meff
là khối lượng điện tử hiệu dụng,  là hàm của bán kính hạt r như sau:

 (r )   0 

A F
,
r

(1.5)

Trong đó 0 là hằng số tắt của vật liệu khối, A là một tham số phụ thuộc
vào chi tiết các quá trình tán xạ (tức là tán xạ đẳng hướng hoặc tán xạ khuyếch
tán) và  F là vận tốc của điện tử có năng lượng bằng mức Fermi.
Mô hình này hiệu chỉnh sự phụ thuộc 1/r của độ rộng phổ Plasmon như
hàm của kích thước cho các hạt nano được diễn tả bằng gần đúng lưỡng cực trong
vùng kích thước nội “intrinsic” (r<20 nm). Thông số A được sử dụng như một
thông số “làm khớp các giá trị thực nghiệm”. Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết này
là đã đưa ra một mô hình mô tả sự phụ thuộc của hằng số điện môi của hạt vào
kích thước.
b) Lý thuyết Gans
Phổ hấp thụ SPR của các hạt vàng tách làm hai vùng khi các hạt trở nên dài
hơn về một trục. Tỷ lệ tương quan R ( R 

R2
) là giá trị của trục dài (độ dài) chia
R1

cho trục ngắn (độ rộng) của hạt hình trụ hoặc dạng que. Khi tỷ lệ tương quan tăng,
khoảng cách năng lượng giữa các đỉnh cộng hưởng của hai dải Plasmon tăng. Dải

năng lượng cao nằm xung quanh 520 nm tương ứng với dao động của các điện tử
vuông góc với trục chính (trục dài) và được gọi là hấp thụ Plasmon ngang. Dải
Plasmon đó giữ không đổi với tỷ lệ tương quan (AR) và trùng với SPR của chấm
nano (nano dots). Còn dải hấp thụ ở năng lượng thấp là của các dao động của điện
tử dọc theo trục chính (dài) và được gọi là hấp thụ SPR dọc (Hình 1.2). Hình vẽ
1.2 chỉ ra phổ hấp thụ của hai thanh nano vàng với các tỷ lệ tương quan là 2,7 và
3,3. Cũng từ phổ đó cho thấy rằng; cực đại dải Plasmon theo trục dài (vòng tròn)
dịch đỏ khi tăng tỷ lệ tương quan R, trong khi đó cực đại dải Plasmon theo trục
ngang (ô vuông) không thay đổi.

7


Độ hấp thụ (đ.v.t.y)

Bước sóng  (nm)

Hình 1.2. Sự phụ thuộc phổ hấp thụ Plasmon bề mặt vào kích thước của thanh
nano vàng với các tỷ lệ tương quan: R  2,7 , R  3,3 [16]
Phổ hấp thụ quang học của một tập hợp các thanh nano vàng định hướng
ngẫu nhiên với tỷ lệ tương quan R có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng sự
mở rộng của lý thuyết Mie.
Phổ hấp thụ của các thanh nano vàng (Au nanorod) với tỷ lệ tương quan R
được Gans tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết Mie với gần đúng lưỡng cực [17].
Thiết diện dập tắt C ext cho hình thon dài elip được biểu diễn bởi phương trình:

Cext 


3c

m 2V 

 1 
 P2  2
j 


3

j


1  Pj 
1  
Pj



2

 
2
 m    2
 

(1.6)

Trong đó P j là các thừa số khử cực dọc theo ba trục A, B và C của thanh
nano, với A  B  C , được xác định khi

1e 2
PA  2
e
PB  PC 

 1 1 e  
 2e ln 1  e   1

 


1  PA
2

(1.7)
(1.8)

Và tỷ lệ tương quan R có mối liên hệ như sau
  B 2 
e  1    
  A  

1

2

1 

 1  2 
 R 

8

1

2

(1.9)


1.2. Các phương pháp chế tạo hạt keo nano bạc
Có 2 phương pháp để điều chế hạt nano kim loại bạc: phương pháp từ dưới
lên và phương pháp từ trên xuống.
− Phương pháp từ dưới lên “bottom-up” là phương pháp tạo hạt nano từ
các nguyên tử hoặc ion kết hợp lại với nhau. Phương pháp từ trên xuống “topdown” là phương pháp tạo các hạt nano từ vật liệu khối ban đầu.
− Đối với hạt keo nano bạc, thường được điều chế bằng phương pháp từ
dưới lên.
1.2.1. Phương pháp từ dưới lên (bottom-up)
Đối với hạt nano kim loại như: hạt nano vàng, bạc, bạch kim,... thì phương
pháp thường được áp dụng là phương pháp từ dưới lên. Nguyên tắc là khử các ion
kim loại như: Ag+, Au+ để tạo thành các nguyên tử Ag0 và Au0. Các nguyên tử sẽ
liên kết với nhau tạo ra hạt nano.
Trong phương pháp từ dưới lên có 3 phương pháp để chế tạo hạt keo nano
bạc là: phương pháp khử hóa học, phương pháp vật lý và phương pháp hóa lý.
Trong đó, phương pháp vật lý và phương pháp hóa lý bị hạn chế bởi thiết bị sử
dụng phức tạp, tiêu hao nhiều năng lượng, kích thước hạt lớn và không đồng đều.
Do vậy, tôi lựa chọn phương pháp khử hóa học được sử dụng rộng rãi hơn do lợi
thế về hiệu suất tổng hợp hạt nano, chi phí thấp, dễ thực hiện, kích thước hạt nhỏ,
đồng đều và ít rủi ro. Sẽ được trình bày dưới đây:
 Phương pháp khử hóa học:

Cách tiếp cận phổ biến nhất để tổng hợp các hạt nano bạc là sự khử hóa học
bởi các chất khử hữu cơ và vô cơ. Nói chung, các tác nhân khử khác nhau như:
natri citrat, ascorbate, Sodium Bohidrua (NaBH4), nguyên tố hydro, quá trình
polyol, chất thử Tollens, N-dimethylformamid (DMF) và copolyme poly
(ethylene glycol), tương ứng với từng loại tác nhân khử sẽ tạo ra cỡ hạt khác nhau.
Các tác nhân khử nói trên làm giảm ion bạc (Ag+) và dẫn tới sự hình thành bạc
kim loại (Ag0), sau đó là sự kết tụ thành các cụm oligomeric. Các nhóm này cuối
cùng dẫn đến sự hình thành các hạt bạc kim loại. Nguyên lý cơ bản của phương
pháp này được thể hiện:
Ag+ + X → Ag0 → AgNPs
9


Điều quan trọng là sử dụng các tác nhân bảo vệ để ổn định các hạt nano
phân tán trong quá trình chuẩn bị hạt nano kim loại và bảo vệ các hạt nano có thể
hấp thụ hoặc bám vào bề mặt các hạt nano, tránh sự tích tụ của chúng (Oliveira et
al. 200). Sự hiện diện của các chất hoạt động bề mặt chứa các nhóm chức năng
(ví dụ: thiol, amin, axit và rượu) có thể ổn định bề mặt và bảo vệ các hạt khỏi lắng
đọng, tích tụ hoặc mất đi tính chất bề mặt của chúng. Các hợp chất polyme như:
poly (vinyl alcohol), poly (vinylpyrolidone), poly (ethylene glycol), poly
(methacrylic acid), polymethylmethacrylate, chitosan, tinh bột,… đã được báo
cáo là các chất bảo vệ hiệu quả để ổn định các hạt nano.
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng Sodium Bohidrua (NaBH4) làm chất
khử do NaBH4 đóng vai trò là tác nhân khử mạnh, quy trình thực hiện phù hợp
với điều kiện trong phòng thí nghiệm, phương pháp đơn giản, không đòi hỏi thiết
bị đắt tiền, ít rủi ro và chế tạo được hạt với kích thước nhỏ
1.2.2. Phương pháp quang
a) Phương pháp quang lí
Các hạt nano Ag được sản xuất bằng phương pháp ăn mòn laser trực tiếp
của miếng kim loại đặt trong dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt với laser (xung

năng lượng rất cao) cỡ ns bắn ra. Sơ đồ chế tạo được mô tả bởi hình dưới đây, vật
liệu là một tấm bạc đặt trong dung dịch chứa chất hoạt hóa bề mặt.

Hình 1.3. Sơ đồ chế tạo hạt nano Ag bằng phương pháp ăn mòn laser
b) Phương pháp quang hóa

10


Phương pháp quang hóa là một phương pháp hoá lí, phản ứng khử ion bạc
xảy ra dưới tác dụng của bức xạ. Chúng ta có thể gây phản ứng quang hóa bằng
tia X trong môi trường Triton X-100 (Octyl phenol Ethoxylate) hay còn gọi là
TX-100, nó không chỉ đóng vai trò chất tham gia phản ứng quang hóa mà còn
đóng vai trò chất ổn định nhằm tránh kết đám của hạt theo thời gian [18]. Quá
trình đầu tiên là quá trình oxy hóa TX-100 gây ra bởi các gốc OH-/H+ sinh ra do
quá trình quang phân nước tạo ra một rượu có tính khử mạnh, sau đó rượu này sẽ
khử các ion bạc thành bạc nguyên tử, do năng lượng liên kết giữa bạc nguyên tử
với chính nó và các ion lớn hơn với dung môi nên chúng kết lại tạo ra các hạt chứa
cả Ag và Ag+. Cứ như vậy các ion bị hút lên bề mặt của bạc và bị khử, làm cho
kích thước của hạt bạc ngày càng lớn lên.
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo nano Ag bằng phương
pháp cảm ứng quang (dùng LED, λ = 532nm), xảy ra với sự có mặt của TSC
(C6H5Na3O7.2H2O).

Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của citrate
Cơ chế của phương pháp quang xúc tác xảy ra là do ảnh hưởng của biến
đổi citrate. Hình dạng nanoprisms sẽ không được quan sát nếu trong phản ứng
không có mặt của citrate hoặc thay thế bằng một hợp chất chứa carboxylate khác.
Do vậy, citrate đóng vai trò quyết định trong việc có hình thành dạng đĩa
nanoprisms hay không.

Các phản ứng xảy ra như sau:
Quá trình tạo mầm: Tiền chất chứa Ag là dung dịch muối AgNO3 cung
cấp ion Ag+. Các ion Ag+ bị khử thành nguyên tử Ag0 bằng sodium borohydride
(NaBH4). Kết quả được kiểm tra bằng phương pháp đo độ hấp thụ của dung dịch
sau phản ứng (Hình 1.5). Phản ứng xảy ra theo phương trình:
AgNO3 + NaBH4  Ag + H2 + B2H6 + NaNO3

11


Hình 1.5. Phổ hấp thụ của dung dịch tiền chất Ag trước
và sau khi thêm NaBH4
Citrate có ba nhóm carboxylic chủ yếu, hai trong số 3 nhóm đó sẽ liên kết
với bề mặt bạc, để lại nhóm thứ ba ở bên ngoài bề mặt hạt bạc để chịu trách nhiệm
về sự ổn định của dung dịch keo bạc thông qua lực đẩy tĩnh điện[19]. Citrate trong
quá trình tạo mầm đóng vai trò là chất ổn định bề mặt hạt, giữ cho kích thước hạt
mầm trong khoảng 3nm với đỉnh hấp thụ ở bước sóng 405 nm. Dung dịch mầm
tạo thành ở dạng hình cầu và có màu vàng nhạt.

Hình 1.6. Phổ hấp thụ của dung dịch hỗn hợp gồm AgNO3, citrate và BSPP
Quá trình biến đổi citrate do chiếu xạ LED: trong dung dịch mầm sau phản
ứng còn chứa AgNO3, citrate dư và các hạt Ag mầm. Dung dịch AgNO3 và citrate
không hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (Hình 1.6).[20]
Nhiều nghiên cứu cho rằng O2 trong H2O là cần thiết cho quá trình phát
triển hình dạng của các hạt Ag nano mầm, O2 có thể oxy hóa Ag tạo ra Ag+ cung
cấp cho quá trình phát triển hạt. Phản ứng xảy ra theo phương trình:
12


Ag0 + ½ O2 +H2O  Ag+ + 2OHỞ nhiệt độ phòng phản ứng của citrate là không đáng kể. Khi chiếu sáng

bằng đèn LED (bước sóng 532nm), các hạt Ag mầm hấp thụ sánh sáng tạo ra dao
động Plasmon bề mặt kích thích phản ứng hóa học của citrate, các phân tử citrate
trên bề mặt hạt nano Ag bị oxy hóa này thành acetonedicarboxylate và nhường lại
2 điện tử trên bề mặt hạt Ag mầm. Các ion Ag+ sẽ bị khử trên bề mặt của các hạt
Ag mầm. Qua đó, kích thước hạt mầm sẽ phát triển lớn hơn.

Hình 1.7. Mô hình oxy hóa citrate theo đề xuất của Redmond, Wu và Brus
Khi bắt đầu phản ứng, các hạt nano mầm hình cầu hấp thụ ánh sáng đẳng
hướng, tạo nên các dao động Plasmon lưỡng cực. Nhưng sau khi phản ứng của
citrate xảy ra thì các hạt Ag mầm không phát triển dạng cầu nữa. Khi tiếp tục
chiếu sáng, ánh sáng kích thích ưu tiên kích thích Plasmon dao động lưỡng cực
dọc. Dao động lưỡng cực dọc ưu tiên phát triển theo những góc. Do vậy, các hạt
hình cầu phát triển dị hướng dẫn đến sự hình thành các dạng nano đĩa tam giác.
Khi các đĩa tam giác Ag được tạo ra bởi các dao động lưỡng cực dọc đủ lớn
và có bước sóng dao động Plasmon lớn hơn bước sóng kích thích thì quá trình
phát triển tạo đĩa tam giác chậm lại (ánh sáng kích thích không còn kích thích dao
động lưỡng cực dọc nữa). Tiếp tục chiếu sáng thì ánh sáng kích thícch dao động tứ
cực trên mặt phẳng đĩa làm cho kích thước đĩa lớn hơn trong khi quá trình phát
13


triển chóp rất chậm dẫn đến sự hình thành các dạng đĩa tam giác cụt. Nếu trong
phản ứng có sự tham gia của quá trình khử nhiệt và nó nhanh hơn quá trình khử
quang thì sẽ phát triển thành các đĩa tròn.

Hình 1.8. Sơ đồ quá trình phát triển nano Ag dạng đĩa tam giác
từ Ag dạng cầu [21]
Bằng cách thay đổi các điều kiện phản ứng thì các hình dạng khác của đĩa
bạc nano cũng được tổng hợp thành công (Hình 1.9).
Ưu điểm của phương pháp cảm quang:

- Điều khiển phản ứng bằng ánh sáng.
- Phản ứng sẽ dừng lại khi không còn chiếu sáng.

Hình 1.9. Một số hình dạng tiêu biểu của quá trình chuyển đổi
hình thái học [22].

14


1.3. Tính kháng khuẩn của hạt keo nano bạc
1.3.1. Cơ chế kháng khuẩn của hạt keo nano bạc
Các đặc tính kháng khuẩn của bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học của các
ion Ag+. Ion này có khả năng liên kết mạnh với peptidoglican, thành phần cấu tạo
nên thành tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong
tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay
sau đó, khả năng hoặt động của vi khuẩn lại có thể được phục hồi. Do động vật
không có thành tế bào,vì vậy chúng ta không bị tổn thương khi tiếp xúc với các
ion này.

Hình 1.10. Tác động của ion bạc lên vi khuẩn
Có một cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn đáng chú ý được mô
tả như sau: sau khi Ag+ tác động lên lớp màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn gây
bệnh nó sẽ đi vào bên trong tế bào và phản ứng với nhóm sunfuahydrin –SH của
phân tử enzym chuyển hóa oxy và vô hiệu hóa men này dẫn đến ức chế quá trình
hô hấp của tế bào vi khuẩn [23].

Hình 1.11. Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn [23]
Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng liên kết với các base của DNA và
trung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép DNA
[24].

15