Nano bạc thay thế kháng sinh và một số thông tin cần biết
Nano bạc là gì?
Bạc (Ag) từ xưa đã được biết đến như một loại kim loại có thể giữ thức ăn lâu hỏng nhờ hoạt tính kháng khuẩn của nó. Kim loại này có thể giải phóng ion Ag+ làm mất hoạt tính vi sinh vật bằng cách phá hủy màng tế bào và khả năng nhân đôi ADN của vi sinh vật. Nano bạc là các hạt bạc ở kích thước nano mét. Nano bạc kháng khuẩn nhờ giải phóng ion Ag+, thì các hạt bạc khi ở kích thước nano từ 1-10nm thì tự chúng có thể gây ảnh hưởng trực tiếp lên màng tế bào của vi khuẩn bằng cách làm thay đổi áp suất thẩm thấu lên màng tế bào của vi khuẩn và kết quả là làm chết tế bào
Không chỉ ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực khử khuẩn, bạc ở kích thước nano còn được biết tới là một chất xúc tác tuyệt vời cho nhiều phản ứng hóa học. Đặc biệt là các phản ứng tổng hợp hữu cơ và đã phát triển nhanh chóng trong nhiều năm qua, nhờ những tính chất độc đáo của nó như tính chọn lọc, độ bền của xúc tác và khả năng tái sử dụng của nó trong các phản ứng hóa học. Vì vậy, các hạt nano bạc đã được khai thác khả năng rộng rãi trong nhiều phản ứng, như các phản ứng khử các hợp chất vòng nitro, các hợp chất carbonyl và khử amin hóa. Đặc biệt là khả năng ứng dụng của nó trong công nghiệp, bởi những nền công nghiệp sản xuất dược phẩm đã tạo ra chất gây ô nhiễm môi trường nước nổi tiếng là 4-nitrophenol, là chất gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do đó, có rất nhiều báo cáo về việc sử dụng nano bạc làm xúc tác để giảm 4-nitrophenol trong nước và nhiều nghiên cứu về động học liên quan. Từ góc độ tổng hợp hữu cơ, phản ứng này khá đơn giản và đại diện cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ tương đồng.
Ứng dụng nano bạc
– Dược phẩm (nước súc miệng, xịt họng, xịt khử mùi cơ thể từ nguyên liệu nano bạc)
– Hóa mỹ phẩm (Kem trị mụn, sữa rửa mặt, nước xả vải…chứa nano bạc)
– Chăn Nuôi (Nano bạc thay thế kháng sinh trong phòng và trị bệnh chăn nuôi)
– Thủy sản (Tạt và cho ăn nano bạc giúp phòng trị bệnh thủy sản đặc biệt là tôm, cá, ốc ếch… )
– Cao su (Latex kháng khuẩn)
– Xử lý môi trường
– Chất xúc tác phản ứng
– Sơn nano bạc kháng khuẩn
– Vải nano bạc kháng khuẩn
Tổng hợp nano bạc
- Phương pháp từ trên xuống (top-down) bằng vật lý
Nguyên tắc của phương pháp này là từ kim loại với kích thước lớn, sau đó biến đổi nó thành các hạt có kích thước nano bằng những kỹ thuật chế tạo như: cắt, mài, nghiền… Phương pháp này có thể chế tạo được các hạt nano với kích thước từ 10 – 100 nm.
Tuy nhiên, phương pháp top-down không thực sự hiệu quả. Một trong những vấn đề đó là sự đồng đều của cấu trúc bề mặt hạt. Vấn đề này ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và hóa học của các hạt cấu trúc nano do tỷ lệ giữa diện tích bề mặt lớn so với thể tích. Mặc dù có vấn đề như vậy, nhưng phương pháp này có thể được chọn khi chế tạo một lượng lớn các hạt nano bạc. Một trong những ứng dụng của nó là trong ngành công nghiệp chế tạo mạch điện tử, khi các cấu trúc kích thước nano được cắt bằng kỹ thuật laser.
Ion Ag+ dưới tác dụng của tác nhân vật lý. Dưới tác dụng của các tác nhân thường dùng như nhiệt, sóng điện từ (tia UV, sóng vi ba, tia laser, gamma,…), sóng siêu âm, ion Ag+ bị biến đổi thành bạc nguyên tử.
Dưới tác dụng của các tác nhân vật lý, có nhiều quá trình biến đổi của dung môi hay của các chất phân tán hoặc hòa tan bên trong dung môi, để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion Ag+ thành bạc nguyên tử tạo thành nano.
- Phương pháp từ dưới lên (bottom-up) bằng hóa học hoặc sinh học
Nguyên tắc của phương pháp này đó là xây dựng từ các nguyên tử, các phân tử hoặc từ những chuỗi phân tử. Một trong những phương pháp tổng hợp bottom-up điển hình là tổng hợp các hạt nano từ hệ keo.
Phương pháp này sử dụng các tác nhân hóa học để khử ion Ag+ thành nguyên tử kim loại Ag, dưới sự có mặt của các chất bảo vệ bằng bảo vệ bề mặt hoặc tĩnh điện, để chống sự kết tụ thành đám của các hạt kim loại bạc, để duy trì các hạt bạc ở kích thước nano. Nguyên lý cơ bản của phương pháp được thể hiện qua phương trình sau:
Ag+ + X –> Ag –> nano Ag.
Trong phương pháp này, các ion Ag+ dưới tác dụng của chất khử X sẽ khử ion Ag+ thành nguyên tử kim loại Ag, sau đó các nguyên tử kim loại này hấp phụ ion Ag+ và phản ứng khử ion Ag+ bởi chất khử X, làm tăng kích thước của các hạt kim loại bạc, dưới sự có mặt của các chất bảo vệ sẽ tạo thành các hạt bạc có kích thước nano.
Các tác nhân khử thường dùng như: Sodium Borohydride(NaBH4), Ethylen Glycol, Sodium citrate, Acid ascorbic,…. Các chất bảo vệ bề mặt như: TSC, PVP (Polyvinylpyrrolidone), CTAB (Cetrimonium bromua), SDS (Sodium dodecyl sulfate),….
PP đo kích thước hạt nano bạc
* Phương pháp DLS (Dynamic Light Scattering – Tán xạ ánh sáng động)
– Nguyên lý đo: Dựa trên tán xạ Mie và nhiễu xạ Fraunhofer. Thiết bị dựa trên một nguồn sáng là đèn laser diode rắn ở bước sóng 650nm chiếu qua cuvet chứa mẫu. Ở góc 900 và 1270 so với phương truyền của nguồn sáng là một cảm biến ghi nhận tín hiệu cường độ ánh sáng. Khi tia laser chiếu vào các hạt nano, các hạt nano chuyển động nhiệt Brown sẽ gây ra sự dao động về cường độ ánh sáng tán xạ và được cảm biến ghi nhận lại. Cường độ ánh sáng tán xạ và tần số dao động phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của hạt nano. Hạt càng nhỏ sẽ chuyển động càng nhanh dưới tác động của chuyển động Brown.
– Kết quả đo: Dựa trên sự thay đổi cường độ ánh sáng tán xạ và tần số ghi nhận được, thông qua phương trình Stokes-Einstein:
* Phương pháp chụp TEM (Transmission electron microscopy – Kính hiển vi điện tử truyền qua)
– Nguyên lý đo: Tương tự như kính hiển vi quang học thông thường, nhưng nguồn sáng không còn là ánh sáng khả kiến mà được thay bằng nguồn phát electron. Mẫu được hút chân không, các electron được gia tốc với hiệu điện thế từ khoảng 80kV – 200kV, qua các thấu kính từ và bị tán xạ bởi mẫu. Bộ phận ghi nhận và quan sát ảnh là một màn huỳnh quang, khi electron đập vào màn hình, vật liệu huỳnh quang sẽ phát quang và hình ảnh được ghi nhận.
– Kết quả đo: Kết quả đo được là ảnh thật của các hạt nano bạc, độ chính xác cao nhưng tùy thuộc vào các vùng chụp khác nhau trên mẫu vật của kỹ thuật viên.
Xác định Ag+ tồn dư trong nano bạc
Theo tiêu chuẩn dược điển Âu Châu
– Lấy 0.5g mẫu để kiểm tra, thêm 5ml Ethanol khan vào và lắc trong 1 phút (mục đích để chuyển toàn bộ ion Ag+ từ trong nước vào trong ethanol). Sau đó lọc lấy dung dịch (trong dung dịch này chứa ion Ag+ nếu có), thử dung dịch trên với 2ml HCl đậm đặc. Nếu không xuất hiện tủa trắng, thì mẫu đạt yêu cầu về chất lượng.
Định tính nhanh thông thường với mẫu 15000 ppm
– Lấy 0.1g mẫu (nồng độ Ag tổng là 15000 ppm), thêm 15g nước cất vào mẫu và lắc đều cho đến khi dung dịch nano bạc phân tán hoàn toàn (nồng độ Ag tổng theo lý thuyết là 100ppm). Lấy 5ml dung dịch trên để thử nghiệm với 2ml dung dịch NaCl 8M. Nếu không xuất hiện kết tủa trắng, thì mẫu đạt yêu cầu về chất lượng.
– Cơ sở lý thuyết:
AgCl <=> Ag+ + Cl–
Hằng số cân bằng Ksp = [Ag+].[Cl–] = 1.77 x 10-10 (ở 250C)
Sau khi lấy 5ml dung dịch sau pha loãng để thử nghiệm với 2ml dung dịch NaCl 8M. Thu được dung dịch khoảng 7ml dung dịch, với nồng độ Ag tổng là 71ppm (0.66mM), nồng độ Cl– là 2.3M. Để không xuất hiện kết tủa trắng thì [Ag+].[Cl–] ≤ 1.77 x 10-10
=> [Ag+] ≤ = = 0.77 x 10-10 M = 0.77 x 10-6 mM
Mà hàm lượng Ag tổng trong mẫu thử là 0.66mM
=> hàm lượng ion Ag+ ≤ 1.17 x 10-4 %
Độ bền nano bạc
– Độ bền của các hạt nano bạc có thể được nghiên cứu bằng cách gia tốc tốc độ lão hóa của sản phẩm bằng nhiệt độ.
– Cơ sở lý thuyết:
AgNP → Agmicro
– Từ phường trình Arrhenius, khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng giá trị hằng số tốc độ phản ứng k:
Tức là, khi tăng thêm 1000C, tốc độ phản ứng tăng khoảng 3640 lần.
– Tiến hành đun mẫu ở nhiệt độ 1300C trong 1 ngày. Sau đó quan sát cảm quan, định lượng và đánh giá. Kết quả đánh giá được tương tự việc lưu mẫu ở 300C trong khoảng gần 10 năm(1×3640).
– Điều này đúng với trường hợp Ea thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ khảo sát.