Đề tài Nghiên cứu điều chế dung dịch Ag nano mật độ cao và khảo sát khả năng diệt khuẩn của chúng

độ bền cơ học gấp 10 lần thép và có tính bền nhiệt rất cao. Chúng được dùng vào làm nguyên liệu sản xuất cho xe hơi, máy bay, tàu vũ trụ Các nhà khoa học Mỹ cũng đang chế tạo ra các phòng thí nghiệm siêu nhỏ có thể nằm gọn trong lòng bàn tay được nhờ công nghệ nano. Những phòng thí nghiệm này có thể cho ngay kết quả phân tích ở nơi ủ bệnh. Đặc biệt, công nghệ nano trong tương lai còn có thể cho phép tạo ra những vật liệu gần giống với vật liệu trong cơ thể con người nhằm thay thế những phần cơ thể bị hỏng của con người. e. Công nghệ nano với an ninh quốc phòng [6,7] Công nghệ nano cũng đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng. Những thiết bị kỹ thuật siêu nhỏ có thể trở thành vũ khí nguy hiểm hơn cả bom nguyên tử. Với một “đội quân” nhỏ bé không thể phát hiện bằng mắt thường và có khả năng tự nhân bản, rôbôt siêu nhỏ có thể tiêu diệt được kẻ thù chỉ trong chớp nhoáng. Đây cũng là một vấn đề hết sức thận trọng trong việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ nano. Ngoài những ứng dụng cơ bản trên, công nghệ nano còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều ngành nghề khác nhau như thực phẩm, nông nghiệp, Trên cơ sở khoa học và thực tiễn đã thu được, ta có thể thấy rằng chắc chắn công nghệ nano sẽ tạo nên một cuộc cách mạng chưa từng có trong khoa học và đời sống. 1.1.5. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano [1,6] Có hai phương pháp cơ bản để tổng hợp vật liệu nano là phương pháp đi từ dưới lên và phương pháp đi từ trên xuống. 1.1.5.1. Phương pháp đi từ trên xuống Phương pháp đi từ trên xuống là phương pháp dùng kỹ thuật nghiền hoặc biến dạng để biến các vật liệu đến kích thước nano. - Phương pháp nghiền Vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung, nghiền quay. Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thước nano. Kết quả thu được là vật liệu nano không chiều. - Phương pháp biến dạng Phương pháp biến dạng có thể là đùn thuỷ lực, tuốt, cán ép. Nhiệt độ có thể được điều chỉnh tuỳ thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phòng thì gọi là biến dạng nóng, còn nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ phòng thì gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu được là các hạt nano một chiều hoặc hai chiều. Nhìn chung phương pháp đi từ trên xuống là phương pháp đơn giản, rẻ tiền nhưng hiệu quả, có thể chế tạo được một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên tính đồng nhất của vật liệu không cao và do vậy phương pháp đi từ trên xuống ít được dùng để điều chế vật liệu nano so với phương pháp đi từ dưới lên. 1.1.5.2.Phương pháp đi từ dưới lên Ngược với phương pháp đi từ trên xuống, phương pháp đi từ dưới lên hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Ưu điểm của phương pháp này là tổng hợp được vật liệu nano với kích thước nhỏ, đồng đều. Phần lớn các vật liệu nano hiện nay được điều chế từ phương pháp này. Nó có thể là phương pháp vật lý, hoá học hoặc kết hợp cả hai phương pháp. a. Phương pháp vật lý Đây là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. - Phương pháp chuyển pha Vật liệu được đun nóng rồi làm nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình. Sau đó tiến hành xử lý nhiệt để xảy ra quá trình chuyển pha từ vô định hình sang tinh thể (phương pháp làm nguội nhanh). -Phương pháp bốc bay nhiệt Vật liệu được đốt “phương pháp đốt” hoặc dùng tia bức xạ hoặc phóng điện hồ quang làm cho bay hơi. Sau khi ngưng tụ hơi ta sẽ thu được các hạt bột mịn có kích thước nano. b. Phương pháp hoá học Phương pháp hoá học là phương pháp chế tạo vật liệu nano từ các ion hoặc nguyên tử. Đây là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp vật liệu nano. Ưu điểm của phương pháp này là có thể tổng hợp được tất cả các dạng của vật liệu nano như dây nano, ống nano, hạt nano, thậm chí là cả các cấu trúc nano phức tạp mô phỏng sinh học. Hơn nữa, phương pháp này còn cho phép can thiệp để tạo ra các vật liệu nano với kích thước nhỏ như mong muốn với độ đồng đều cao. - Phương pháp khử hoá học Ở phương pháp khử hoá học, muối của kim loại tương ứng được khử với sự có mặt của các tác nhân làm bền để khống chế sự lớn lên của các hạt và ngăn cản sự keo tụ của chúng. Ưu điểm của phương pháp này là quy trình thực hiện đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị đắt tiền, có thể điều khiển kích thước hạt như mong muốn và cho phép tổng hợp vật liệu với khối lượng lớn. Phương pháp này chủ yếu để tạo ra các hạt nano kim loại. - Phương pháp sử dụng các hạt nano có sẵn trong tự nhiên Các chất có sẵn trong tự nhiên như zoelit, các hạt sét, các phân tử sinh học, có rất nhiều các lỗ nhỏ với kích thước nanomét. Các chất này vì thế có thể làm khuôn phản ứng tổng hợp vật liệu nano, 1.1.6. Giới thiệu về kim loại Bạc 1.1.6.1. Vị trí nguyên tố, đặc điểm cấu tạo và tính chất của bạc kim loại [8] Bạc được kí hiệu là Ag, nằm ở ô thứ 47 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học, thuộc phân nhóm phụ nhóm IB. Cấu hình electron của nguyên tố bạc ở lớp ngoài cùng là 4d105s1. Bạc kim loại kết tinh ở dạng lập phương tâm diện, có bán kính nguyên tử là 1.44A0. Bạc là kim loại nặng, mềm, có ánh kim, màu trắng(màu nguyên thuỷ của bạc là màu xám), có hai đồng vị bền là 107Ag(51.9%) và 109Ag(48.1%). Dưới đây là một số hằng số vật lý của Ag. Bảng 1. Một số hằng số vật lý của Ag Nhiệt nóng chảy(0C) Nhiệt độ sôi(0C) Nhiệt thăng hoa(KJ/mol) Tỷ khối Độ cứng thang Moxo Độ dẫn điện Hg=1 Độ dẫn nhiệt Hg=1 960 2167 283,6 10,50 2,7 59 49 Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt thăng hoa của bạc cao hơn nhiều so với hầu hết các kim loại khác. Về độ dẫn điện và dẫn nhiệt, bạc đứng đầu tất cả các kim loại. Bạc cũng vượt xa các kim loại khác về tính dẻo, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Về mặt hoá học bạc là kim loại rất kém hoạt động. Bạc không tác dụng với ôxi không khí kể cả khi đun nóng, nên bạc được xem là một kim loại quý điển hình. 1.1.6.2. Ứng dụng của kim loại bạc.[2] Bạc là một kim loại có nhiều ứng dụng to lớn phục vụ cho lợi ích của con người. Chúng ta dùng bạc để trang trí, để kị gió, bảo vệ sức khoẻ vì bạc là kháng sinh tự nhiên không có tác dụng phụ. Khoa học và công nghệ ngày càng phát triển, con người càng phát hiện ra nhiều tính chất ưu việt của bạc như tính quang, tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt nhất trong số các kim loạinên bạc đã được sử dụng nhiều trong kỹ thuật điện tử, quang học. 1.1.6.3. Khả năng diệt khuẩn của Bạc kim loại Cách đây hàng trăm năm, các nhà khoa học thế giới sau nhiều năm nghiên cứu đã chứng minh được rằng bạc có tính năng diệt khuẩn và các dụng cụ như cốc, chén, ấm, bình, lọ, bằng bạc đã được sử dụng trong giới hoàng tộc, vua chúa thời xa xưa để khử độc và chống bệnh ung thư. Nhà sinh vật học Robert O. Becker- tác giả của The Body Electric năm 1970- cho rằng hàm lượng bạc trong người mà thấp hơn mức chuẩn thì khả năng miễn dịch kém. Tổ chức FDA của Mỹ cũng công nhận rằng Bạc là kháng sinh tự nhiên và không có tác dụng phụ. Bạc có tính chất sát khuẩn và hiệu quả đặc thù với sự thay đổi chất. Bạc hạn chế sự thay đổi chất và điện của các ion âm(Ag) bắn ra hạn chế sự sinh sản của vi khuẩn đơn bào gây hại. [9] 1.2. Vật Liệu Nano Bạc Bạc kim loại từ lâu đã được sử dụng làm chất diệt khuẩn, nhưng khi ở trạng thái phân tán với kích thước nanomét thì khả năng diệt khuẩn của bạc được tăng lên gấp bội. Theo GS.TS Phan Đình Khôi, Chủ Tịch Hội Vật lý Học Việt Nam, viện khoa học vật liệu, nano là công nghệ của thế kỉ XXI, giúp bảo vệ và nâng cao chất lượng cuộc sống. Bạc nano là một ứng dụng hoàn thiện của khoa học và công nghệ nano đối với bạc để tăng tính năng diệt khuẩn, sát trùng, tiêu độc và khử mùi, được ứng dụng trong một số sản phẩm như các dụng cụ bảo quản thực phẩm, sơn, các vật liệu may mặc, mỹ phẩm Chắc chắn rằng với sự phát triển ngày càng cao của khoa học công nghệ, chúng ta còn khám phá ra nhiều tính chất hữu dụng hơn nữa của bạc nano cũng như các vật liệu nano khác để nâng cao chất lượng cuộc sống và sự tiến bộ của loài người. [9] 1.2.1. Các phương pháp điều chế nano bạc Người ta có thể sử dụng các quy trình khác nhau cũng như các điều kiện khác nhau: chất đầu, phương pháp, điều kiện lọc, rửa, sấy, nung, để điều chế Ag nano kích cỡ khác nhau phục vụ cho những mục đích khác nhau. Nói chung, cũng giống như các vật liệu nano khác, Ag nano chủ yếu được tổng hợp bằng hai phương pháp chính là phương pháp vật lý và phương pháp hóa học. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến một số phương pháp điển hình đã được biết khá rộng rãi trên thế giới. 1.2.1.1. Phương pháp vật lý Đây là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. a: Phương pháp chuyển pha b: Phương pháp bốc bay nhiệt Các phương pháp vật lý để điều chế vật liệu nano như trên thường yêu cầu những thiết bị phức tạp, trong những điều kiện khá khắt khe và khó điều chỉnh được kích thước hạt. 1.2.1.2. Các phương pháp hóa học Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu nano bạc, trong đó phương pháp hóa học là một phương pháp có nhiều ưu điểm. Ưu điểm nổi trội nhất phải kể đến là mức độ đồng nhất hóa học rất tốt do đó có thể trộn lẫn các chất khác nhau ở cấp độ phân tử. Không những thiết bị đơn giản, mà với phương pháp hóa học người ta có thể kiểm soát được các điều kiện phản ứng, các điều kiện ảnh hưởng đến kích thước hạt và hơn nữa còn điều khiển được kích thước hạt như mong muốn. Dưới đây là một số phương pháp thường được sử dụng để điều chế vật liệu nano, đặt biệt là Ag nano. a. Phương pháp phân hủy nhiệt Phương pháp này người ta thường sử dụng một muối của bạc và axit hữu cơ ( thường là các axit béo mạch dài vì những axit này có tác dụng bảo vệ). Muối đó đem nung ở nhiệt độ <3000C trong vòng 2 giờ thu được tinh thể Ag nano kích cỡ nhỏ và có đường phân bố kích thước hẹp. b. Phương pháp sử dụng màng các chất đa điện li Các chất cao phân tử chứa các nhóm có khả năng ion hoá được gọi là các chất đa điện li. Trong dung dịch chất đa điện li có các ion lớn và ion tương ứng. Đặc điểm chính của các chất đa điện li đó là cấu hình của mạch cao phân tử tích điện, có sự phân bố các đối ion ở trong mạch và xung quanh mạch cao phân tử. Do đặc điểm của mạch cao phân tử các chất điện li nên chúng có thể tạo thành các “hố” kích thước nano mang điện tích âm và sẽ giữ các ion Ag+ trong đó. Sử dụng phương pháp này có thể tổng hợp được các hạt nano với kích thước khoảng 2 - 4nm và độ đồng đều cao. [5] c. Phương pháp polyol [12,13,14] Có thể dùng Etylenglycol và các diol làm chất khử, ở nhiệt độ cao với sự có mặt của chất làm bền để tạo ra các hạt Ag nano. Nhưng qua nghiên cứu người ta thấy rằng khả năng của poly etylenglycol (PEG) nhạy hơn, nó lại có mạch cacbon dài nên PEG vừa là chất khử, vừa là chất bảo vệ trong quá trình phản ứng. Trong công trình [13] đã tiến hành như sau: Đun PEG đến 800C, cho dung dịch AgNO3 vào, giữ nhiệt độ ở 800C và khuấy đều trong một giờ. Khi màu đỏ của dung dịch chuyển từ hồng sang màu xanh đen, chứng tỏ các hạt bạc nano đã được tạo thành. Các hạt này bền trong nhiều tháng, chứng tỏ PEG là một chất bảo vệ tốt. Phương trình phản ứng: RCH2CH2OH + 2Ag+ = RCH2CHO + 2Ag + 2 H+ Đây là một phương pháp mới và đơn giản để điều chế các hạt Ag nano. Khi sử dụng PEG không cần phải thêm dung môi, chất hoạt động bề mặt hay chất khử nữa. Hình dạng và kích thước của Ag nano phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của chất phản ứng. Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: Khi độ dài của mạch polyme tăng lên thì khả năng khử của PEG cũng tăng. Các hạt Ag nano thu được bằng phương pháp này có kích thước khá nhỏ và đồng đều, khoảng 8-10nm. d. Phương pháp khử hóa học [1,6,7,16] Vật liệu Ag nano chủ yếu được điều chế bằng phản ứng khử ion Ag+ trong dung dịch bởi các tác nhân khử êm dịu với sự có mặt của các chất làm bền. * Tác nhân khử Tác nhân khử là yếu tố có tính chất quyết định kích thước, hình dáng hạt tạo thành. Nếu chất khử quá mạnh, quá trình khử diễn ra quá nhanh, số lượng Ag sinh ra quá nhiều sẽ kết tụ lại với nhau tạo ra các hạt có kích thước lớn hơn. Ngược lại, nếu chất khử quá yếu, quá trình tổng hợp sẽ đạt hiệu suất thấp, thời gian phản ứng quá dài làm làm phát sinh nhiều sản phẩm phụ không mong muốn. Các tác nhân khử rất đa dạng, thường là: fomandehit, hydzazin, muối tactrat, xitrat, NaBH4, các polyol * Tác nhân bảo vệ Các chất bảo vệ này có vai trò chủ chốt trong việc điều chỉnh kích thước hạt bạc, bằng cách khống chế sự lớn lên của các hạt Ag và ngăn cản sự keo tụ của chúng. Các chất bảo vệ thường là các polyme và các chất hoạt động bề mặt như polyvinylancol, polyetylenglycol, xenluloaxetat, silica Cơ chế làm bền có thể được giải thích như sau: Phân tử các chất làm bền thường có các nhóm phân cực có ái lực mạnh với ion Ag+ và các phân tử Ag kim loại. Đó là nhóm -OH ở PVA, xenluloaxetat, silica, nhóm chứa nguyên tử O, N trong PVP, nhóm -COO trong các axit béo, nhóm -SH trong các thiol Rn(SH) (OH). Trong quá trình phản ứng, do các ion Ag+ đã được gắn lên trên các polyme nên không thể lớn lên một cách tự do. Hơn nữa các hạt Ag nano khi vừa hình thành đã được ngăn cách với nhau bởi lớp vỏ polyme lớn và không thể kết tụ được với nhau. Điều này đã khống chế cả quá trình lớn lên và tập hợp của các hạt, do đó dễ tạo kích thước hạt nhỏ và đồng đều. Ngoài ra các hạt Ag nano còn được làm bền theo cơ chế làm bền của các hạt keo. Khi ion Ag+ chưa bị khử hoàn toàn, chúng được hấp phụ trên bề mặt hạt và tạo thành các mixen gồm nhân bạc, một lớp chất bảo vệ và lớp điện kép của Ag+ và NO-3. Nhờ lớp điện kép này mà các hạt Ag nano mang điện tích trái dấu và đẩy nhau, tránh hiện tượng keo tụ. Bên cạnh đó các yếu tố khác như: pH, nồng độ chất tham gia phản ứng, nhiệt độ của phản ứng, tốc độ, thời gian phản ứng cũng ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm tạo thành. Ví dụ khi pH quá lớn sẽ xảy ra quá trình tạo thành Ag2O nên khó khống chế phản ứng, đặc biệt khi pH cao, ion OH- làm mỏng lớp điện kép bao ngoài hạt nano làm các hạt nano dễ tập hợp. Khi nồng độ thấp, tốc độ cung cấp chất phản ứng nhỏ, các hạt nano thường tạo thành nhỏ và đồng đều hơn. Phương pháp này thường được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm vì quy trình sản xuất ra Ag nano khá đơn giản, không đòi hỏi thiết bị quá hiện đại, dễ khống chế các điệu kiện phản ứng để thu được kích thước hạt theo mong muốn đồng thời có thể tổng hợp với lượng lớn. Vì vậy phương pháp khử hóa học với những ưu điểm nổi bật sẽ là sự lựa chọn tối ưu để tổng hợp các loại vật liệu này. 1.2.2. Ứng dụng của Bạc nano Với sự phát triển của công nghệ nano, bạc nano là một đối tượng nhận được nhiều chú ý của các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp. Vì bạc không những mang lại những đặc tính đáng quý của vật liệu nano mà còn có những tính chất riêng khác biệt ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. a. Ứng dụng của bạc nano đối với sức khoẻ và y học Do con người luôn phải chịu sự tấn công của các loại vi khuẩn độc hại có trong môi trường, chính vì vậy mà khoa học luôn phải tìm kiếm, tổng hợp nên các vật liệu có khả năng diệt trừ vi khuẩn. Dù không quá lâu khi thế giới phát hiện ra công nghệ bạc nano có những tính năng tuyệt vời với khả năng bảo vệ sức khoẻ con người, nhưng chỉ hơn một năm trở lại đây Việt Nam mới xuất hiện dòng sản phẩm ứng dụng công nghệ được coi là cuộc cách mạng của thế kỉ XXI này. Công nghệ Ag nano được biết phù hợp với điều kiện khí hậu, môi trường và văn hoá tiêu dùng của nước ta. Với những ưu thế vượt trội, công nghệ nano – công nghệ siêu nhỏ đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong lĩnh vực sử dụng sản phẩm thiết yếu phục vụ đời sống con người và được coi là tiêu chí cạnh tranh hàng đầu giữa các nhà sản xuất trên thị trường. [9] Với diện tích bề mặt lớn, chỉ cần dùng một lượng nhỏ bạc nano mà tác dùng diệt khuẩn lại tăng lên rất nhiều. Bởi vậy mà rất nhiều vật dụng được tráng một lớp bạc nano để diệt khuẩn như máy điều hoà nhiệt độ, tủ lạnh, bình lọc nước, nhằm kháng khuẩn và tiêu độc. Bên cạnh đó không thể không nhắc tới một nhãn hiệu được tin dùng trong suốt thời gian qua đó là bình sữa tiệt khuẩn và các dụng cụ đựng thức ăn cho trẻ nhỏ của Mummybear. Loại bình sữa tráng Ag nano này đang được thu hút bởi tính năng ưu việt của nó như kháng khuẩn, tiêu độc, khử mùi, diệt được 99.9%vi khuẩn E.coli và Staphylococi gây bệnh tiêu chảy ở trẻ, ngoài ra khăn ướt, hộp đựng thức ăn, quần áo trẻ em cũng đều được tráng một lớp bạc nano để kháng khuẩn và tiêu độc. Hình 2. Bình sữa với công nghệ Nano Silver Trong y học, người ta dùng hạt nano bạc để làm các loại bông gạc y tế, các dụng cụ phẫu thuật, dung dịch tẩy trùng và thành phần của một số dược phẩm [2] b. Ứng dụng của bạc nano trong công nghiệp điện tử Không có một lĩnh vực nào mà công nghệ nano có ảnh hưởng nhiều như điện tử, công nghệ thông tin và truyền thông, bạc nano là một tronh những vật liệu được ứng dụng nhiều nhất trong lĩnh vực này. Chúng không chỉ mang trong mình những tính chất ưu việt của vật liệu nano mà còn có hoạt tính xúc tác, tính điện, tính quang, tính từ rất cao so với các vật liệu khác. Do vậy bạc nano được ứng dụng trong lĩnh vực điện tử để sản xuất những linh kiện, những vi mạch có thể truyền tải, ghi nhận, lưu trữ thông tin nhanh hơn và nhiều hơn. Nhờ thế mà kích thước của các thiết bị giảm xuống đáng kể mà chất lượng còn tăng thêm nhiều so với trước đây.[4, 11] c. Ứng dụng của bạc nano trong lĩnh vực may mặc[2,4] Các nhà nghiên cứu đại học Clemson(Mỹ) vừa chế tạo một loại chất phủ mới, giúp con người có những bộ quần áo sạch mà không cần giặt bằng cách sử dụng các hạt nano bạc có độ dày bằng 1/1000 sợi tóc người. Hạt nano tạo ra các bướu tí hon trên mặt vải và lớp phủ polymer làm bướu vĩnh viễn bám vào vải. Khi vải tiếp xúc với nước, chẳng hạn dưới trời mưa, chất bẩn sẽ tự cuốn trôi dễ dàng. Brown nói “Người mặc vẫn cần một ít nước để loại bỏ chất bẩn. Tuy nhiên quá trình giặt sẽ nhanh hơn và không phải giặt thường xuyên như quần áo hiện nay”. Có thể gắn lớp phủ vào mọi loại vải, từ polyester, bông cho tới lụa. Chất phủ mới cũng có tiềm năng được phủ lên quần áo trẻ em, quần áo bệnh viện, đồ thể thao, quân phục và áo mưa Với sự phát triển cao của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ nano, trong thời gian tới người ta còn khám phá ra nhiều đặc tính ưu việt hơn nữa của bạc nano để tạo ra các loại vật dụng tiện ích, nâng cao chất lượng cuộc sống và tiến bộ xã hội. d. Ứng dụng của bạc nano- Hoạt tính diệt khuẩn Vật liệu bạc nano vừa kết hợp được những tính chất ưu việt của vật liệu nano, vừa kết hợp được những tính chất quý báu của Ag kim loại nên có rất nhiều ứng dụng quan trọng và thú vị, đặc biệt là trong lĩnh vực kháng khuẩn và xúc tác. Trong khuôn khổ bài khóa luận này, chúng tôi chỉ đề cập đến một ứng dụng quan trọng của bạc nano đó là hoạt tính diệt khuẩn của nó. Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu giải thích hoạt tính diệt khuẩn của bạc. Tuy nhiên cơ chế chính xác của bạc và ion Ag+ tấn công vào vi sinh vật như thế nào thì không thực sự rõ ràng. Hiện nay, các nhà khoa học đưa ra 3 giả thiết về cơ chế diệt khuẩn này: Các nhóm thiol (-SH) trong thành tế bào của các vi sinh vật, virus đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất và năng lượng của chúng. Ion Ag+ có khả năng liên kết tạo các chất không tan với các nhóm thiol này và do vậy vô hiệu hoá khả năng hoạt động của chúng. Ag+ ngăn cản quá trình hô hấp của các vi sinh vật, virus do Ag+ có khả năng ức chế các enzim tham gia vào quá trình hô hấp như xitocrom, oxidaza, các muối của sucxinat dehydrogenaza Ag+ tấn công vào các AND của tế bào vi khuẩn, phá huỷ các mạch nucleotit bằng cách chuyển chỗ, làm đảo lộn các liên kết Hidro giữa các nhóm purin và các nhóm pyrimidin liền kề nhau. Tuy là chất độc đối với các loài vi khuẩn, virus nhưng Ag lại không độc hại với các tế bào sống của cơ thể con người và động thưc vật. Chính vì vậy mà Ag là một vật liệu kháng khuẩn lý tưởng. Người ta đã nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của hạt bạc nano trên vi khuẩn Gam âm E.coli. Kết quả nghiên cứu cho thay rằng: Tác dụng diệt khuẩn của các hạt nano bạc là phụ thuộc vào kích thước. Chỉ các hạt bạc nano có đường kính khoảng 1-10nm với diện tích bề mặt rất lớn làm tăng hoạt tính hóa học của chúng là tương tác với vi khuẩn nhiều hơn cả. [15,16] 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmisson Electron Microscope – TEM) [6] Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là phương pháp cho phép sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để quan sát các vật thể rất nhỏ. Độ phóng đại của TEM là 400.000 lần đối với nhiều vật liệu và thậm chí lên đến 15 triệu lần đối với các nguyên tử. Với ưu thế về độ phóng đại rất lớn, TEM là công cụ đặc biệt quan trọng trong việc nghiên cứu các vật liệu nano. Nguồn cấp electron Thấu kính hội tụ Mẫu Phóng ảnh to Ảnh Màn hình hiển thị Hình 3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử truyền qua TEM. Nguyên lý làm việc của máy TEM được mô tả như sau: Chùm electron được tạo ra từ nguồn sau khi đi qua các thấu kính hội tụ sẽ tập trung lại tạo thành một dòng electron hẹp. Dòng electron này tương tác với mẫu và một phần xuyên qua mẫu. Phần truyền qua đó được hội tụ bằng một thấu kính và tạo ảnh. Ảnh sau đó sẽ được truyền đến bộ phận phóng đại. Cuối cùng tín hiệu tương tác với màn huỳnh quang và sinh ra ánh sáng cho phép người dùng quan sát được ảnh. Phần tối của ảnh đại diện cho vùng mẫu đã cản trở, chỉ cho một số ít electron xuyên qua (vùng mẫu dày hoặc có mật độ cao). Phần sáng của ảnh đại diện cho những vùng mẫu không cản trở, cho nhiều electron truyền qua (vùng này mỏng hoặc có mật độ thấp). Ảnh TEM thu được sẽ là hình ảnh mặt cắt ngang của vật thể. Ảnh TEM có thể cung cấp thông tin về hình dạng, cấu trúc kích thước của vật liệu nano. 1.4. Ô NHIỄM VI SINH VẬT TRONG NƯỚC SINH HOẠT VÀ NƯỚC THẢI 1.4.1. Đặc điểm chung của vi sinh vật Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ tất cả các sinh vật có kích thước nhỏ bé, muốn thấy rõ được người ta phải sử dụng kính hiển vi. Các dạng vi sinh vật khác nhau không những về hình thái mà cả cấu tạo và đặc tính sinh học nữa. Tuy nhiên chúng có những đặc điểm chung sau. Kích thước nhỏ bé Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị Phân bố rộng, chủng loại nhiều 1.4.2. Nguồn ô nhiễm và sự phân bố vi sinh vật trong nước và thực phẩm Vi sinh vật sống ở khắp mọi nơi trên trái đất, từ đỉnh núi cao đến tận đáy biển sâu, trong không khí, trong đất, trong hầm mỏ, sông ngòi, ao hồ, trong thực phẩm hàng hóaNgay cả những nơi mà điều kiện sống tưởng chừng khắc nghiệt vẫn thấy có sự phát triển của vi sinh vật như đáy đại dương. Sự phân bố của chúng hoàn toàn không đồng nhất mà rất khác nhau tùy thuộc vào đặc trưng của từng loại môi trường. Phần lớn các vi sinh vật xâm nhập vào nước là từ đất khi mưa hoặc bụi do không khí rơi xuống. Ngoài ra, nước còn nhiễm bẩn do rác thải công nghiệp, chế biến nông nghiệp chất thải sinh hoạt cùng phân người và phân gia súc. Chất hữu cơ trong nước, các loại chất độc, tia tử ngoại, PH, môi trường, là những yếu tố có tính chất quyết định đến sự tăng số lượng cũng như các chất dinh dưỡng vi sinh vật. Nước càng bẩn, càng có nhiều chất hữu cơ thì số lượng vi sinh vật càng nhiều và sự phát triển vi sinh vật của chúng trong nước càng nhanh. Trong nước có nhiều loại vi sinh vật: Vi khuẩn, nấm men, nấm mốc Nhưng chủ yếu vẫn là vi khuẩn. Số lượng vi sinh vật khác nhau khi ở trong các nguồn nước khác nhau. Trong môi trường nước ngọt, do sự nhiễm khuẩn từ đất nên hầu hết các vi sinh vật có trong nước là từ đất, tuy nhiên với số lượng và chủng loại khác nhau. Ở ao hồ và sông, hàm lượng chất dinh dưỡng cao hơn ở nước ngầm và suối nên thành phần vi sinh vật ở đây phong phú hơn nhiều. Ở những nơi nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt còn có mặt các khuẩn đường ruột và các vi khuẩn gây bệnh khác. Các vi khuẩn này chỉ sống trong một thời gian nhất định nhưng do nguồn nước thải đổ vào thường xuyên, nên lúc nào cũng có mặt. Đây chính là nguồn nhiễm vi sinh nguy hiểm nhất đối với sức khỏe con người. Nước biển có số lượng vi sinh vật nhỏ hơn nước sồng ngòi và ao hồ. Mặc dù hàm lượng muối trong nước biển khá cao nhưng số lượng vi sinh vật cũng không phải là ít. Thường trong một lít nước biển thay đổi từ 35 đến vài nghìn vi khuẩn. Nước giếng phun và nước giếng ngầm có số lượng vi sinh vật tương đối ít vì nước đã thấm qua đất như một màng lọc tự nhiên rất tốt nên hầu hết vi khuẩn bị giữ lại. Số lượng vi khuẩn trong nước máy phụ thuộc trực tiếp vào nguồn nước cung cấp. Nếu lấy từ nguồn nước ngầm thì rất ít vi khuẩn, nếu lấy từ nguồn nước sông, hồ...thì dù qua hệ thông lọc cũng còn sót lại một số vi khuẩn đáng kể. Trong nước cất và nước tiệt trùng hầu như không có vi khuẩn. Đôi khi cũng có một số ít vi khuẩn do tiếp xúc với dụng cụ hoặc từ không khí rơi vào. Do đó đây là hai môi trường tốt để làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật. 1.4.3. Đặc điểm E.coli, coliform Coliform Coliorm là những trực khuẩn gram âm không sinh bào tử, hiếu khí hoặc kỵ khí tùy tiện, có khả năng lên men lactozơ sinh axít là sinh hơi ở 37oC trong 24 – 48 giờ. Trong thực tế phân tích, coliform còn được định nghĩa là các vi khuẩn có khả năng lên men sinh hơi trong khoảng 48 giờ khi được ủ ở 370C trong môi trường canh lauryl Sulphat và canh Briliant Green Lactose Bile Salt. Nhóm coliform hiện diện rộng rãi trong tự nhiên, trong ruột người và động vật. Nhóm coliform gồm 4 giống là: Escherichia với một loại duy nhất là E.coli, Citrobacter, Klebsiella và Enterobacter. Tính chất sinh hóa đặc trưng của nhóm này được thể hiện qua thử nghiệm Indol (I ), Metyl red (MR), Vgesproskauer (VP) và Citrat (IC) thường được gọi tắt là IMVIC . Nhóm coliform được xem là nhóm vi sinh vật chỉ thị số lượng của chúng trong thực phẩm, nước hay các loại mẫu môi trường được dùng để chỉ thị khả năng hiện diện của các vi sinh vật gây bệnh khác. Dựa vào nhiệt độ tăng trưởng của nhóm này được chia thành hai nhóm nhỏ là coliform và faecal colifrom. Colifrom phân (faecal colifrom hay E.coli giả định) là colifrom chịu nhiệt có khả năng sinh Idol khi được ủ ở 24giờ ở 44.50C trong canh Triptone. Colifrom phân là một thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột ở người và các động vật máu nóng khác và được sử dụng để chỉ thị mức độ vệ sinh trong quá trình chế biến, bảo quản, vận chuyển thực phẩm ,nước uống cũng như để chỉ thị sự nhiễm phân trong mẫu môi trường. Colifrom phân hiện diện với số lượng lớn trong mẫu thì mẫu có khả năng nhiễm nước nhiễm phân và có khả năng chứa các vi sinh vật gây bệnh hiện diện trong phân. Hình 4. Hình dạng coliform E.coli E.coli là vi sinh vật hiếu khí tùy tiện hiện diện trong đường ruột của người và các loại động vật máu nóng. Hầu hết E.coli không gây hại và đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định sinh lí đường ruột.Tuy nhiên có bốn dòng có thể gây bệnh cho người và một số loại động vật là: Enteropathogenic E.coli (EPEC), Enterotoxigenic E.coli (EPEC), Eterohaemorrhagic E.coli (EPEC) và Verocytoxin E.coli(VTEC). Trong các thành viên của nhóm faecal coliorm thì E.coli là loài được sự quan tâm nhiều nhất về vệ sinh an toàn thực phẩm. Các loài E.coli hiện diện rộng rãi trong môi trường bị nhiễm phân hay chất thải hữu cơ, phát triển và tồn tại lâu trong môi trường. Gần đây người ta có thể chứng minh được rằng E.coli cũng hiện diện ở những vùng nước ấm không bị nhiễm chất hữu cơ. Do sự phân bố rộng rãi trong tự nhiên nên E.coli dễ dàng nhiễm vào thực phẩm từ nguyên liệu hay thông qua nguồn nước trong quá trình sản xuất, chế biến . Các dòng E.coli gây bệnh gây ra các triệu chứng rối loạn đường tiêu hóa . Biểu hiện lâm sàng thay đổi từ nhẹ đến rất nặng, có thể gây chết người phụ thuộc vào mức độ nhiễm dòng gây bệnh và khả năng đáp ứng của từng người. Hình 5. Hình dạng E.coli 1.4.4. Các phương pháp định lượng vi sinh vật Sự hiện diện của vi sinh vật có thể định lượng bằng nhiều phương pháp khác nhau như: - Phương pháp đếm trực tiếp - Phương pháp đếm khuẩn lạc - Phương pháp màng lọc - Phương pháp MPN (Most Probable Number) - Phương pháp đo độ đục Trong khuôn khổ bài khóa luận này chúng tôi sử dụng phương pháp đếm khuẩn lạc. Phương pháp đếm khuẩn lạc là phương pháp cho phép xác định số lượng tế bào vi sinh vật còn sống hiện diện trong mẫu. Tế bào sống là tế bào có khả năng phân chia thành khuẩn lạc trên môi trường chọn lọc. Do vậy phương pháp này có tên gọi là phương pháp đếm khuẩn lạc (colony count). Phương pháp này có đặc điểm là cho phép định lượng chọn lọc vi sinh vật tùy môi trường và điều kiện nuôi cấy. Phương pháp này có thể được thực hiện bằng kỹ thuật hộp trải hoặc hộp đổ với các thiết bị hỗ trợ để đếm kết quả. Trong phương pháp này cần thực hiện pha loãng mẫu bậc 10 liên tiếp sao cho có độ pha loãng với mật độ tế bào thích hợp để xuất hiện các khuẩn lạc riêng lẻ trên bề mặt thạch với số lượng đủ lớn để hạn chế sai số khi đếm và tính toán. Mật độ tế bào quá lớn làm các khuẩn lạc chồng chéo lên nhau hoặc tạo thành màng sinh khối. Ngược lại số lượng lạc khuẩn trên một đĩa quá nhỏ sẽ không có giá trị thống kê. Số lượng lạc khuẩn tối ưu từ 25 – 250 khuẩn lạc/đĩa. Số lượng lạc khuẩn xuất hiện trên đĩa phụ thuộc vào lượng mẫu sử dụng, môi trường và điều kiện ủ, kết quả đếm thường được trình bày bằng số đơn vị hình thành khuẩn lạc CFU/ml (colony – forming unit). CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM 2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ 2.1.1. Hóa chất - Dung dịch AgNO3 0,1M: Cân 1,7g AgNO3 tinh thể PA, sau đó cho vào bình định mức 100ml đã có sẵn 20ml dung dịch HNO3 10%, lắc cho tan và định mức đến vạch. Bảo quản trong bình tối màu tránh ánh sáng mặt trời. Các dung dịch có nồng độ nhỏ hơn (như: 0.01M) được pha từ dung dịch trên. NH3 đậm đặc PA 35% (Trung Quốc). - Đường Gluco. Dung dịch PVA: Cân 1g tinh thể PA Polyvinylancol (PVA) hòa tan trong bình định mức 1000ml rồi định mức bằng nước cất đến vạch. - Fucshin bazơ bão hòa trong rượu. Agar. Hỗn hợp Microbiology gồm các chất sau: Pepton KH2PO4 Lactozơ K2HPO4 Brilliant NaCl Glucoza Na2HPO4 Cao nấm men NaOH Cao thịt bò Methyl red Sodium Lauryl Sulphat HCl Nước cất 1 lần, 2 lần. 2.1.2. Dụng cụ - Chai lấy mẫu. - Bình định mức 50ml, 100ml - Pipet 1ml, 2ml, 5ml, 10ml, 20ml. - Phễu lọc. - Tủ sấy, tủ điều nhiệt, bút đếm khuẩn lạc. - Bình nón, đũa thủy tinh. - Đĩa petri, cốc chịu nhiệt. - Máy khuấy từ. 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1. Điều chế dung dịch Ag nano khi không có chất phân tán. Cho vào cốc thủy tinh chịu nhiệt dung tích 250ml các chất sau: nước cất, dung dịch đường Gluco 0.1M, dung dịch AgNO3 0.01M (có thể lấy lượng chất khử dư từ 2 đến 10 lần). Sau đó đặt hỗn hợp trên máy khuấy từ trong 15 phút ở nhiệt độ phòng (hoặc có thể đun đến nhiệt độ khoảng 600C). Sau đó cho vào hỗn hợp trên vài giọt NH3 1M. Sau khi cho NH3 vào, tiếp tục khuấy dung dịch dần dần chuyển từ trong suốt sang màu vàng nhạt rồi đậm dần. Đó chính là dung dịch Ag nano cần điều chế. 2.2.2. Điều chế dung dịch Ag nano khi có mặt của chất phân tán. Cho vào cốc thủy tinh chịu nhiệt dung tích 250ml các chất sau: nước cất, dung dịch đường Gluco 0.1M, dung dịch AgNO3 0.01M (có thể lấy lượng chất khử dư từ 2 đến 10 lần), dung dịch PVA (ở đây PVA đóng vai trò là chất phân tán). Sau đó đặt hỗn hợp trên máy khuấy từ trong 15 phút ở nhiệt độ phòng (hoặc có thể đun đến nhiệt độ khoảng 600C). Sau đó cho vào hỗn hợp trên vài giọt NH3 1M. Sau khi cho NH3 vào, tiếp tục khuấy dung dịch dần dần chuyển từ trong suốt sang màu vàng nhạt rồi đậm dần. Ta được dung dịch Ag nano. 2.3. QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TIỆT TRÙNG CỦA Ag NANO 2.3.1. Lấy mẫu và khu vực lấy mẫu Mẫu nghiên cứu được lấy ở 2 bên bờ sông, mẫu được đựng trong chai sạch. Sông Kim Ngưu được lựa chọn để lấy mẫu, khu vực sông này chứa rất nhiều nguồn thải từ các nhà máy, và nước thải sinh hoạt của các hộ dân đổ ra từ 2 bên bờ sông. 2.3.2. Phân tích mẫu Dùng phễu lọc, lọc mẫu để loại bỏ cặn, váng có màu. Để không ảnh hưởng tới màu khi hiện trên môi trường nuôi cấy. Tiến hành pha loãng mẫu 10 lần, 100 lần, 1000 lần, định mức bằng bình định mức. 2.3.3. Thực nghiệm xác định E.coli, coliform Môi trường Endo Đây là môi trường dinh dưỡng thích hợp để định lượng coliform và E.coli trong nước và trong thực phẩm. Ngoài ra người ta cũng có thể định lượng tổng vi khuẩn hiếu khí khi điều chỉnh pH ổn định. Thành phần: - 0,5g Agar. - 3,65g hỗn hợp Microbiology. - 0.5ml fucshin bazơ bão hòa trong rượu. Hòa tan các chất trong 1000ml nước cất, pH = 7.5. Môi trường được hấp khử trùng ở 1210C trong thời gian 20 phút. 2.3.4. Định lượng coliform, coliform phân. Nguyên tắc Nuôi cấy một lượng nhất định mẫu lên môi trường Endo. Môi trường Endo có chứa natri sulfit và fucshin có khả năng ức chế vi khuẩn gram dương. Trong quá trình phát triển trên môi trường này, coliform lên men đường lactoza tạo thành aldehyt và axít, aldehyt tác động đến phức chất fucshin-sulfit và giải phóng fucshin, sau đó fucshin nhuộm các khuẩn lạc từ màu hồng đến đỏ cánh sen, tròn, bờ đều, có ánh kim hoặc không. Tiến hành Chuẩn bị mẫu và pha loãng mẫu. Cấy 100ml mẫu vào đĩa petri đã có môi trường thạch Endo và trang đều lên mặt thạch. Nuôi cấy trong tủ ấm ở nhiệt độ 370C trong 24-48 giờ. Kết quả Đếm số khuẩn lạc có màu hồng tới màu đỏ trong các đĩa và tỉ lệ khẳng định tính mật độ coliform. 2.3.5. Qui trình định lượng E.coli. Mẫu nước thải cần phân tích. Pha loãng mẫu Dãy pha loãng 10-1, 10-2, 10-3... Cấy 100ml dung dịch pha loãng vào mỗi dĩa Đĩa petri Ủ ở 370C trong 24 đến 48 giờ Đĩa petri mọc các khuẩn lạc mầu đỏ hồng tới đỏ cánh sen, có ánh kim hoặc không. Mật độ E.coli Hình 6. Quy trình định lượng E.coli CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. TỔNG HỢP DUNG DỊCH Ag NANO Cho vào cốc thủy tinh dung tích 250ml các chất sau:40ml H2O cất, 12ml dung dịch đường, hỗn hợp được khuấy trên máy khuấy từ trong 15 phút. Sau đó cho vài giọt dung dịch Amoniac vào tiếp tục khuấy dung dịch sẽ dần dần chuyển từ trong suốt sang màu vàng nhạt rồi đậm dần. Dung dịch màu vàng chính là dung dịch Ag nano. Phản ứng của quá trình khử tạo Ag là phản ứng tráng gương. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp dung dịch Ag nano là nồng độ AgNO3, nhiệt độ tiến hành phản ứng, tác nhân khử...... Nước cất ‏Dung dịch Ag nano Hình 7. Ảnh chụp dung dịch Ag nano có màu vàng nâu 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT THAM GIA TRONG QUÁ TRÌNH LÀM THÍ NGHIỆM 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3 đến khả năng tạo dung dịch Ag nano Nồng độ AgNO3 ban đầu có ảnh hưởng nhất định đến hình dạng hạt Ag tạo thành. Khi nồng độ AgNO3 ban đầu quá thấp, các hạt bạc không phải là hình cầu mà sẽ gồm nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau. Nếu nồng độ của AgNO3 ban đầu thấp hơn nữa thì chỉ tạo thành keo bạc kém bền. Nhưng nếu nồng độ ban đầu của dung dịch AgNO3 quá lớn, các hạt Ag nano sẽ kết tụ lại với nhau tạo thành những hạt lớn hơn rất nhiều 20 mg/l ‏l/mg 40 ‏l/mg 180 ‏l/mg 100 ‏l/mg 80 . Hình 8. Ảnh chụp dãy dung dịch Ag nano có mật độ tăng dần khi không có chất phân tán Từ dãy hình ảnh trên tôi nhận thấy rằng khi nồng độ Ag+ tăng lên thì sản phẩm thu được có màu từ vàng nâu rồi đậm dần đến màu đen. Chúng tôi đã tiến hành ghi ảnh của một số mẫu bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định hình dạng và kích thước thật của hạt. Các hình dưới đây chỉ ra ảnh hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao ở các độ phân giải khác nhau. Hình 9. Ảnh hiển vi điện tử của mẫu có nồng độ Ag là mAg=180mg/l Từ hình 9 ta thấy khi sử dụng dung dịch có nồng độ Ag cao (mAg=180mg/l) thì các hạt Ag tạo thành có kích thước từ 50 đến 80nm. Sản phẩm có màu đen là do sự phản xạ ánh sáng của các bề mặt tinh thể Ag làm triệt tiêu ánh sáng phản xạ. (a) (b) Hình 10. Ảnh hiển vi điện tử của mẫu có nồng độ Ag là mAg=100mg/l Từ hình 10 ta thấy khi sử dụng dung dịch có nồng độ Ag là (mAg=100mg/l) thì các hạt Ag tạo thành có kích thước nhỏ hơn từ 30 đến 50nm và có mật độ dày đặc hơn. (a) (b) Hình 11. Ảnh hiển vi điện tử của mẫu có nồng độ Ag là mAg=40mg/l Từ hình 11 ta thấy khi sử dụng dung dịch có nồng độ Ag là (mAg=40mg/l) thì các hạt Ag tạo thành có kích thước tương đối nhỏ từ 15 đến 40nm và có mật độ dày đặc. Từ các ảnh hiển vi điện tử cho thấy ở nồng độ Ag+ thấp các hạt Ag tạo thành tương đối nhỏ, ở nồng độ càng cao các hạt Ag tạo thành càng to hơn.Vì khi ở nồng Ag+ cao các hạt Ag tạo thành sẽ rất dễ kết tụ lại với nhau tạo thành những hạt lớn hơn. 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất phân tán đến khả năng tạo dung dịch Ag nano Cũng như các chất hoạt động bề mặt khác, PVA được cấu tạo bởi 2 phần. Phần đuôi kị nước là Hidrocacbon mạch dài và phần đầu mang điện tích ưa nước. Trong dung dịch, PVA có tác dụng làm bền hóa các hạt nhỏ. 400 mg/l 350 mg/l 300 mg/l 250 mg/l 180 mg/l Hình 12. Ảnh chụp dãy dung dịch Ag nano có nồng độ tăng dần khi có chất phân tán Nhìn vào dãy hình ảnh trên ta thấy rằng khi cho PVA vào dung dịch thì lượng Ag có thể được tăng lên rất cao thậm trí có thể lên đến 400-500mg/l. Điều đó được giải thích như sau:Trong quá trình phản ứng, khi Ag vừa sinh ra thì ngay lập tức bị chất phân tán PVA ngăn cách không cho kết tụ lại với nhau. 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ Ag+ khi có mặt của chất phân tán Khi nồng độ Ag+ ban đầu lớn thì các hạt Ag tạo thành sẽ kết tụ lại với nhau tạo thành những hạt lớn. Nhưng nếu cho chất phân tán vào thì chất phân tán sẽ ngăn cách các hạt Ag ngay khi nó mới hình thành làm cho các hạt Ag không kịp kết tụ lại với nhau do đó ta thu được hạt Ag nhỏ hơn rất nhiều so với khi không có chất phân tán. 300 mg/l 250 mg/l 180 mg/l 100 mg/l 80 mg/l 20 mg/l 40 mg/l 400 mg/l 350 mg/l Hình 13. Ảnh chụp dãy dung dịch Ag nano có nồng độ tăng dần Tuy nhiên, nếu ở nồng độ Ag+ quá cao, tốc độ phản ứng lớn, những hạt Ag tạo thành nhanh chóng và rất nhiều, làm cho chất bảo vệ không kịp bao bọc lấy các hạt Ag ngay khi nó mới hình thành. Điều này cũng dẫn đến kích cỡ hạt trở lên lớn hơn. Ngược lại, khi lượng PVA quá lớn thì việc sử dụng nồng độ cao càng làm cho kích thước của hạt Ag nano tăng lên đáng kể. Điều này có thể được giải thích là do khi nồng độ PVA quá lớn, độ nhớt của dung dịch cao sẽ cản trở quá trình khuếch tán đều của các hạt vào trong chất bảo vệ, làm cho giai đoạn khử bị chậm lại, tạo điều kiện cho các hạt Ag dễ dàng tập hợp được với nhau. 3.3. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG DIỆT KHUẨN CỦA Ag NANO 3.3.1. Chuẩn bị dung dịch mẫu dùng để diệt khuẩn Tôi tiến hành thử hoạt tính diệt khuẩn của dung dịch Ag nano với nồng độ Ag lần lượt là 10 ppb và 15 ppb. Được chuẩn bị bằng cách lấy một thể tích dung dịch Ag nano có nồng độ là mAg = 20mg/l pha loãng 10 lần ta sẽ được dung dịch Ag nano nồng độ 2ppb sau đó hút lần lượt 5ml và 7.5ml dung dịch vừa pha trên cho vào 1L mẫu cần xử lý và tiến hành thử hoại tính diệt khuẩn của nó. 3.3.2. Ảnh hưởng của mật độ Ag nano tới khả năng diệt khuẩn Mẫu vi khuẩn ban đầu dùng để thử hoạt tính diệt khuẩn có nồng độ E.coli là 215MPN/ 100ml. Hình 14. Mẫu vi khuẩn ban đầu Mẫu vi khuẩn khi cho dung dịch Ag nano nồng độ 10ppb vào để thử hoạt tính diệt khuẩn, sau 10 phút có nồng độ E.coli là 25MPN/100ml. Hình 15. Mẫu thử với dung dịch Ag nano có nồng độ 10ppb sau 10 phút. Mẫu vi khuẩn khi cho dung dịch Ag nano nồng độ 10ppb để thử hoạt tính diệt khuẩn, sau 20 phút có nồng độ E.coli là 0MPN/100ml. Hình 16. Mẫu vi khuẩn thử với dung dịch Ag nano có nồng độ 10ppb sau 20 phút Mẫu vi khuẩn khi cho dung dịch Ag nano nồng độ 15ppb để thử hoạt tính diệt khuẩn, thì sau 10 phút có nồng độ E.coli là 0MPN/100ml. Hình 17. Mẫu vi khuẩn thử với dung dịch Ag nano nồng độ 15ppb sau 10 phút. Từ dãy kết quả thử khả năng diệt khuẩn với dung dịch Ag nano ở trên cho thấy số vi khuẩn đã bị tiêu diệt hoàn toàn. Như vậy có thể kết luận dung dịch Ag nano có khả năng diệt khuẩn rất tốt. Điều này cho thấy rõ ràng rằng các hạt Ag nano có kích thước rất nhỏ, diện tích bề mặt rất lớn lên khả năng tiếp xúc để tiêu diệt vi khuẩn lớn hơn rất nhiều so với các hạt Ag kim loại có kích thước lớn hơn. 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng diệt khuẩn Các kết quả thử khả năng diệt khuẩn được thực hiện ở bảng sau: a. Bảng 2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình diệt khuẩn với nồng độ Ag là 10ppb. Thời gian (phút) 0 5 10 20 Số khuẩn lạc xuất hiện 215MPN/100ml 38MPN/100ml 25MPN/100ml 0 Số khuẩn lạc bị tiêu diệt 0 82.3% 88,4% 100% Hình 18. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa khả năng diệt khuẩn của dung dịch Ag nano có nồng độ 10ppb vào thời gian. Nồng độ E.coli ở đầu vào của quá trình xử lý là 215MPN/100ml Hình 19. Hình ảnh E.coli ở đầu vào của quá trình xử lí. Nồng độ E.coli ở đầu ra của quá trình xử lí sau 5 phút diệt khuẩn có nồng độ là 38MPN/100ml. Hình 20. Hình ảnh E.coli ở đầu ra sau 5 phút diệt khuẩn. Nồng độ E.coli ở đầu ra của quá trình xử lí sau 10 phút diệt khuẩn có nồng độ là 25MPN/100ml. Hình 21. Hình ảnh E.coli ở đầu ra sau 10 phút diệt khuẩn. Nồng độ E.coli ở đầu ra của quá trình xử lí sau 20 phút diệt khuẩn có nồng độ là 0MPN/100ml. Hình 22. Hình ảnh E.coli ở đầu ra sau 20 phút diệt khuẩn. b. Bảng 3: Kết quả khảo sát khả năng ảnh hưởng của thời gian đến quá trình diệt khuẩn với nồng độ Ag là 15ppb. Thời gian(phút) 0 5 10 Số khuẩn lạc xuất hiện 254MPN/100ml 30MPN/100ml 0MPN/100ml Số khuẩn lạc bị tiêu diệt 0 88,2% 100% Hình 23. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa khả năng diệt khuẩn của vật liệu có nồng độ 15ppb vào thời gian. Nồng độ E.coli ở đầu vào của quá trình xử lí là 254MPN/100ml. Hình 24. Hình ảnh E.coli ở đầu vào của quá trình xử l.í Nồng độ E.coli ở đầu ra của quá trình xử lí sau 5 phút diệt khuẩn có nồng độ là 30 MPN/100ml. Hình 25. Hình ảnh E.coli ở đầu ra sau 5 phút diệt khuẩn Nồng độ E.coli ở đầu ra của quá trình xử lí sau 10 phút diệt khuẩn có nồng độ là 0MPN/100ml. Hình 26. Hình ảnh E.coli ở đầu ra sau 10 phút diệt khuẩn So sánh khả năng diệt khuẩn của dung dịch Ag nano ở các nồng độ khác nhau ta thấy: Nếu dùng dung dịch Ag nano ở nồng độ 10ppb thì sau 20 phút toàn bộ vi khuẩn sẽ bị tiêu diệt, nhưng nếu dùng dung dịch Ag nano ở nồng độ 15ppb để diệt khuẩn thì chỉ sau 10 phút vi khuẩn đã bị tiêu diệt hoàn toàn. Điều đó chứng tỏ rằng ở mật độ càng cao thì khả năng diệt khuẩn càng tốt và nhanh. Từ thực nghiệm chúng tôi đã đưa ra được thời gian tối thiểu cho quá trình khảo sát khả năng diệt khuẩn ở mỗi nồng độ khác nhau và đã đưa ra kết luận rằng với mật độ Ag nano càng cao thì thời gian diệt khuẩn càng rút ngắn đi. 3.4. Xây dựng quy trình điều chế Ag nano Từ kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới việc điều chế dung dịch Ag nano ở trên , chúng tôi đề nghị một quy trình điều chế dung dịch Ag nano từ chất đầu là AgNO3 bằng phương pháp khử hóa với chất khử là đường Gluco và với chất bảo vệ là PVA như sau: Nồng độ của AgNO3, đường Gluco, PVA, NH3 trong thí nghiệm là: CM(AgNO3)=0,01M CM(Gluco)=0.1M CPVA=1ppm CNH3=0.1M Sau khi pha các dung dịch trên, chúng tôi tiến hành tính toán các đại lượng để sử dụng trong quá trình làm thí nghiệm. Tính toán lượng nước cần thiết thêm vào để hệ phản ứng là 52,8ml. Sau đó chúng tôi tiến hành thí nghiệm theo quy trình sau: Lấy đúng thể tích dung dịch AgNO3 rồi thêm lượng nước cất đã tính toán ở trên vào. Sau đó, hút chính xác lượng PVA cần thiết và bổ sung lượng đường Gluco vào,bằng phương pháp khuấy trộn trong vòng 15 phút. Tiếp tục nhỏ từ từ dung dịch NH3 vào dung dịch hỗn hợp trên và để cho phản ứng xảy ra trong điều kiện khuấy mạnh. Sau khoảng 15 phút , dung dịch chuyển sang màu vàng nhạt và đậm dần đến màu vàng nâu. Đó chính là dung dịch Ag nano đang cần điều chế. Sơ đồ điều chế dung dịch Ag nano: AgNO3 Dung dịch Khuấy, 15 p Khuấy Dung dịch Ag nano Nước sạch H2O Nước cần xử lý Đường Gluco Amoniac PVA Hình 27. Quy trình điều chế dung dịch Ag nano bằng phương pháp khử Như vậy theo kết quả khảo sát ở trên, ta nhận thấy chỉ với một lượng cực nhỏ như vậy mà hiệu quả xử lý lại rất tốt. Do đó sẽ giảm được giá thành của quá trình xử lý và nước sau xử lý đặc biệt an toàn vì hàm lượng nitrat nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép nên sẽ không gây độc hại đối với sức khoẻ con người. Do vậy chúng tôi đề xuất sẽ sử dụng dung dịch Ag nano để diệt khuẩn cho nước thay vì sử dụng Clo như trước kia vì nếu sử dụng Clo sẽ dễ tạo hợp chất Cơ Clo (hợp chất hữu cơ ) sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người. KẾT LUẬN Đã điều chế được dung dịch Ag nano. Đã khảo sát, phân tích được ảnh hưởng của nồng độ AgNO3, nồng độ chất phân tán PVA tới quá trình tạo thành Ag nano bằng phương pháp khử hóa dung dịch AgNO3. Tiến hành nuôi cấy E.coli trong nước thải sông Kim Ngưu, bằng phương pháp nuôi cấy vi sinh trên môi trường nuôi cấy Endo. Đã tiến hành thử hoạt tính diệt khuẩn của vật liệu với chủng vi khuẩn E.coli. Kết quả cho thấy khả năng diệt khuẩn rất mạnh của Ag nano. Đã khảo sát được nồng độ tối thiểu của dung dịch Ag nano và thời gian tối thiểu để xử lí nước đạt hiệu quả tiệt trùng. Đã đề xuất quy trình điều chế dung dịch Ag nano để diệt khuẩn cho nước sinh hoạt. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt. 1. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. 2. Nguyễn Thị Như Miên (2006), Tổng hợp bạc kim loại kích cỡ nano bằng phương pháp khử hóa học với chất khử Natri Bohidrua- NaBH4, khóa luận tốt nghiệp, Đại học KHTN- ĐH Quốc Gia Hà Nội. 3. Công nghệ nano- đột phá thế kỷ, báo bưu điện Việt Nam. 4. Trần Thị Thúy (2006), Tổng hợp Bạc kim loại kích cỡ nano bằng phương pháp khử hóa với chất khử Fomandehit, Khóa luận tốt nghiệp, Đại học KHTN- ĐH Quốc Gia Hà Nội. 5. Vũ Đăng Độ, Hóa học nano và định hướng nghiên cứu ở khoa hóa trường ĐHKHTN, Hà Nội, 2003. 6. Phạm Phương Thảo (2008), Tổng hợp và khảo sát khả năng diệt trùng của vật liệu Ag nano trên chất mang silicagel, khóa luận tốt nghiệp, Đại Học KHTN – ĐH Quốc Gia Hà Nội. 7. Nguyễn Đức Nghĩa ( 2007), Hóa học nano, NXB khoa học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội. 8. Hoàng Nhâm ( 2000 ) , Hóa Vô Cơ, Tập II, NXB Giáo Dục, Hà Nội. Tài Liệu nước ngoài. 9. Trang web: http:// www.nano silver.com.vn 10. KS Chou, CY Ren (2000), synthesis of nanosized silver particles by chemical reduction method. Materials chemistry and physics 64, 241 – 246. 11. Shengtai He, Jianian Yao, Peng Jiang, Dongxia Shi, Haoxu Zhang, Sishen Xie, Shijin Pang and Hong Jun Gao, Formation of silver Nano Particles and Self – Assembled Two – Dimensional and Catalytic effect of CS2 – Stabilizer silver Nano particle in Aqueous Solution, Langmuir 2001, 17, 3795 – 3799. 12. Yiwei Tan, Xinhua Dai, Yong jang Li and Daoben Zhu, Preparation of Gold, Platium and Silver nano particles by the reduction of their salts with a weak reductal Potassium bitartrate , Journal of Materials Chemistry, 2003, 13, 1069 – 1075. 13. S.ayyappan, R. Srinivasa Gopalan, G.N.Subbanna, C.N.R.Rao, Nanoparticles of Ag, Au, Pt and Cu produced by alcohol of salfs, Journal ò Materials Research, Vol 12, No.2, Feb 1997. 14. Chien – Liang Lee, Chi – Chaowan, Yung – Yun wang, Syntheis of Metal NanoParticles Via Self – Regulated reduction by an Alcohol surfactal , Advance Functional Materials, 11, No.5, October. 15. Jose Ruben Mornes, Jose Luis Elechiguerra, Alejandra Camacho, Katherin Holt, Juan B kouri, Jose Tapia Ramirez and Miguel Jose Yacaman, the bactericidal effect of silver nanoparticles, Nano technology 16 (2005) 2346 – 2353. 16. Pingli, Juan Li, Changzhu Wu, Qing sheng Wu and Jian Li, Synergistic antibacterial effects of β – Lactam antibiotic combined with solver nanoparticles, Nano technology 16(2005) 1912 -1917. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 2 1.1. Công nghệ nano và vật liệu nano 2 1.1.1. Công nghệ nano 2 1.1.2. Vật liệu nano 3 1.1.3. Cơ sở của công nghệ nano 4 1.1.4. Ứng dụng của công nghệ nano 4 1.1.5. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano 6 1.1.6. Giới thiệu về Bạc kim loại 8 1.2. Vật liệu Bạc nano 9 1.2.1. Các phương pháp điều chế Bạc nano 10 1.2.2. Ứng dụng của Bạc nano 13 1.3. Các phương pháp nghiên cứu 16 1.4. Ô nhiễm vi sinh vật trong nước sinh hoạt và nước thải 17 1.4.1. Đặc điểm chung của vi sinh vật 17 1.4.2. Nguồn ô nhiễm và sự phân bố vi sinh vật trong nước và thực phẩm 17 1.4.3. Đặc điểm E.coli, coliform 19 1.4.4. Các phương pháp định lượng vi sinh vật 21 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 23 2.1. Hóa chất và dụng cụ 23 2.1.1. Hóa chất 23 2.1.2. Dụng cụ 23 2.2. Phương pháp nghiên cứu 24 2.2.1. Điều chế dung dịch Ag nano khi không có chất phân tán 24 2.2.2. Điều chế dung dịch Ag nano khi có chất phân tán 24 2.3. Quy trình nghiên cứu khả năng tiệt trùng của Ag nano 24 2.3.1. Lấy mẫu và khu vực lấy mẫu 24 2.3.2. Phân tích mẫu 24 2.3.3. Thực nghiệm xác định E.coli, coliform 25 2.3.4. Định lượng coliform, coliform phân 25 2.3.5. Quy trình định lượng E.coli 26 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1. Tổng hợp dung dịch Ag nano 28 3.2. Ảnh hưởng của các chất tham gia trong quá trình làm thí nghiệm 28 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ Ag+ đến khả năng tạo dung dịch Ag nano 28 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất phân tán 32 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ Ag+ khi có mặt của chất phân tán 33 3.3. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của Ag nano 34 3.3.1. Chuẩn bị dung dịch mẫu dung để diệt khuẩn 34 3.3.2. Ảnh hưởng của mật độ Ag nano tới khả năng diệt khuẩn 34 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng diệt khuẩn 36 3.4. Xây dựng quy trình điều chế Ag nano 41 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Trần Hồng Côn đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm khóa luận. Em xin chân thành cảm ơn Cử Nhân Trịnh Xuân Đại đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Công Nghệ Hóa Học – ĐHKHTN – ĐHQG Hà Nội đã ủng hộ và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả các anh, các chị và các bạn cùng phòng thí nghiệm Môi Trường II, các bạn sinh viên lớp K5 đã chia sẻ những kinh nghiệm , kiến thức, giúp đỡ tôi về tài liệu, động viên về mặt tinh thần và luôn bên cạnh tôi trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận này. Hà nội, ngày 30 tháng 12 năm 2008 Sinh viên: Nguyễn Thị Út