15 Khả diệt khuẩn nano bạc Bạc (trong tiếng Latinh có tên Argentum) chất diệt khuẩn hiệu biết đến từ sớm lịch sử nhân loại Người cổ đại thường dùng lọ hay bình bạc để chứa nước Những người khai hoang châu Mỹ đặt đồng tiền bạc vào cốc sữa trước uống Năm 1700, bạc nitrat sử dụng để chữa bệnh hoa liễu, áp xe hậu môn xương Các nhà thờ thường dùng ly, cốc làm bạc Bạc muối bạc sử dụng rộng rãi từ đầu k XIX đến k XX để điều trị vết bỏng khử trùng Những năm 1940, sau penicilin đưa vào, việc sử dụng bạc để xử lý nhiễm trùng vi khuẩn giảm Bạc quay trở lại vào năm 1960 Moyer sử dụng 0,5 AgNO3 để chữa vết bỏng Ơng ta đề xuất dung dịch khơng gây trở ngại với phát triển biểu bì có tính chất chống khuẩn Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa Escherichia coli Năm 1968, AgNO3 kết hợp với sulfonamide để tạo thành kem sulfadazine, làm tác nhân chống khuẩn phổ biến rộng rãi để chữa vết bỏng Bạc sulfadazine hiệu việc chống loại khuẩn E.coli, S aureus, Klebsiella sp., Pseudomonas sp, có tác dụng chống nấm, chống virut Bạc nguyên tố có tính kháng khuẩn tự nhiên, có khả tiêu diệt phổ rộng loài vi sinh vật gây bệnh nhiên nano bạc không gây tác dụng độc hại thể người động vật sử dụng với liều lượng phù hợp Các đặc tính kháng khuẩn bạc bắt nguồn từ tính chất hóa học ion Ag+ Vi khuẩn nhạy cảm với hoạt động ion bạc nồng độ thấp (35 ppb) Hạt nano bạc kích thước 5-15 nm có t lệ phần trăm số nguyên tử nằm bề mặt lớn (hầu hết nguyên tử tập trung bề mặt hạt nano bạc) Có số ngun tử nằm phía trong, nguyên tử nằm bề mặt với số lượng lớn hầu hết chúng không bị che chắn lớp, lượng bề mặt nhỏ chúng dễ dàng tách khỏi lớp bề mặt khiến chúng trở thành linh động Được biết hạt kim loại nhỏ khoảng 5nm xuất hiệu ứng 16 electron, chúng xác định thay đổi vùng cấu trúc điện tử bề mặt Đó hiệu ứng làm tăng khả phản ứng hạt nano bề mặt Qua nghiên cứu cho thấy, tăng lên nguyên tử bề mặt nên so với bạc tinh thể, tác dụng sát khuẩn hạt bạc siêu nhỏ có kích thước nano nhân lên gấp bội, gam nano bạc sát khuẩn cho hàng trăm mét vuông chất Như vậy, hiểu rằng, vật liệu thơng thường (vật liệu khối, khơng phải kích thước nano) số nguyên tử nằm bề mặt, phần lớn nguyên tử lại nằm sâu phía trong, bị lớp ngồi che chắn Trong cấu trúc vật liệu nano, hầu hết nguyên tử "phơi" bề mặt bị che chắn khơng đáng kể mà diện tích bề mặt vật liệu nano tăng lên nhiều so với vật liệu thơng thường Với hạt nano bạc có kích thước nhỏ, phần lớn nguyên tử tập trung nhiều bề mặt hạt, chúng bị cản trở lực hút hạt nhân, nguyên tử trở lên linh động lượng bề mặt giảm nguyên tử dễ tách hạt nano bạc dễ dàng giải phóng ion bạc mang diện dương (Ag+), ion Ag+ có tác dụng diệt nấm khuẩn gây bệnh theo chế đặc thù Hoạt động kháng khuẩn nano bạc khơng hồn tồn rõ ràng, chắn hoạt động kháng khuẩn hạt bạc tăng lên với giảm kích thước chúng chứng minh vai trị quan trọng có hình thái hạt, hiệu hạt nano bạc có kích thước khoảng 25 nm; chúng hoạt tính kháng khuẩn gần với hoạt tính kháng khuẩn ion bạc Hiện tồn số quan điểm giải thích chế diệt khuẩn bạc nhiều người ủng hộ Các quan điểm chủ yếu dựa tương tác tĩnh điện ion bạc mang điện tích dương bề mặt tế bào vi khuẩn mang điện tích âm dựa vơ hiệu hóa nhóm Thiol enzym vận chuyển oxy, tương tác ion bạc với ADN dẫn đến dime hóa pyridin cản trở trình chép ADN tế bào vi khuẩn [23], [28] Cơ chế diệt vi khuẩn nano bạc diễn tả theo số quan điểm sau: + Các nhà khoa học thuộc hãng INOVATION Hàn Quốc cho rằng: Bạc tác dụng trực tiếp lên màng bảo vệ tế bào vi khuẩn Màng 17 cấu trúc gồm glycoprotein liên kết với cầu nối axit amin để tạo độ cứng cho màng Các ion Ag+ vừa giải phóng từ bề mặt hạt nano bạc tương tác với nhóm Peptidoglican ức chế khả vận chuyển oxy chúng vào bên tế bào, dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn Các tế bào động vật thuộc nhóm sinh vật bậc cao (Sinh vật đa bào: động vật nói chung bao gồm người động vật bậc cao) có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật đơn bào (Nấm, Vi khuẩn Virus) Chúng có hai lớp Lipoprotein giàu liên kết đơi bền vững có khả cho điện tử khơng cho phép ion Ag+ xâm nhập, chúng khơng bị tổn thương tiếp xúc với Ag+ Điều có nghĩa nano bạc hồn tồn khơng gây hại đến người động vật nói chung, cấu trúc màng tế bào bền vững dày vi sinh vật đơn bào gây bệnh nấm, vi khuẩn virus theo Hình 1.2 Phá hủy Ức chế trình màng tế bào chép ADN Ức chế enzyme Ion Ag+ Hình 1.2 Cơ chế diệt nấm, vi khuẩn nano bạc – Tương tác ion Ag+ lên tế bào vi khuẩn + Cơ chế tác động ion bạc lên vi khuẩn nhà khoa học Trung Quốc làm việc hãng ANSON mô tả sau: Khi ion Ag+ tương tác với lớp màng tế bào vi khuẩn gây bệnh, vào bên tế bào, phản ứng với nhóm Sunphohydril - SH phân tử enzyme 18 vận chuyển oxy Các enzym bị vơ hiệu hóa dẫn đến ức chế q trình hơ hấp tế bào vi khuẩn theo sơ đồ sau: Ngoài ra, ion bạc cịn có khả ức chế q trình phát triển vi khuẩn cách sản sinh oxy nguyên tử siêu hoạt tính bề mặt hạt nano bạc: 2Ag + + O 2- → 2Ag + O + Theo nhà khoa học Nga, có nhiều lý thuyết chế tác dụng diệt vi khuẩn nano bạc đề xuất, lý thuyết hấp phụ nhiều người chấp nhận Bản chất thuyết chỗ tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa kết q trình tương tác tĩnh điện bề mặt mang điện tích âm tế bào vi khuẩn ion Ag+ hấp phụ lên đó, ion sau xâm nhập vào bên tế bào vi khuẩn vơ hiệu hóa chúng Ion Ag+ hút mạnh nhóm mang điện tích âm phân tử sinh học sulfohydryl, cacboxyl, photphat phân bố khắp nơi tế bào vi khuẩn Phản ứng ràng buộc làm thay đổi cấu trúc phân tử phân tử lớn, tạo lỗ hổng làm thay đổi tính thấm hô hấp tế bào Bạc đồng thời cơng vào nhiều vị trí tế bào làm khả hoạt động chức tổng hợp thành tế bào, màng vận chuyển, tổng hợp axit nucleic, gây bất hoạt enzym làm rối loạn trình mã ADN (Hình 1.3) Khơng có chức này, vi sinh vật bị kiềm chế bị chết 19 Hình 1.3 Các hạt nano tương tác với tế bào vi khuẩn lực bám hút tĩnh điện phá vỡ cấu trúc màng + Xét góc độ sinh học nhà nghiên cứu có quan điểm thống nano bạc diệt khuẩn theo chế sau: Một là: Nano bạc phá hủy chức hô hấp Hai là: Nano bạc phá hủy chức thành tế bào Ba là: Nano bạc liên kết với ADN tế bào vi sinh vật ức chế chức chép chúng, kìm hãm chúng, khơng cho chúng phát triển mạnh (Hình 1.4) Hình 1.4 Ion bạc liên kết với base ADN 20 Ứng dụng nano bạc Một số nhà khoa học cịn cho nano bạc có khả vơ hiệu hóa lồi virus gây bệnh đậu mùa, bệnh cúm A-1, B, adenovirus HIV, cho hiệu điều trị tốt bệnh virus Marburg, virus bệnh đường ruột (enteritis) virus bệnh chó dại Tuy nhiên, để vơ hiệu hóa hồn tồn virus bacteriophag đường ruột N163, virus Koksaki serotyp A-5, A-7, A-14 cần đến nồng độ bạc cao (0.5 – 5.0 mg lít) so với trường hợp xử lý Escherichia, Salmonella, Shigellia lồi virut đường ruột khác (0.1 – 0.2 mg/lít) Để chế tạo vật liệu chứa nano bạc với hạt nano bạc tạo có kích thước nhỏ, hàm lượng cao, phân tán đồng cố định chất mang, vật liệu chứa nano bạc có hoạt tính cao, tuổi thọ tốt lĩnh vực khử khuẩn làm xúc tác cho phản ứng Hóa học nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano bạc /chất mang ứng dụng xử lý mơi trường, Trần Quang Vinh (2015), Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội [19] Nano bạc thể mạnh mẽ khả diệt nấm: nồng độ 0,1 mg/L (0,1 ppm), với mật độ 105 tế bào lít, nấm Candida albicans bị vơ hiệu hóa hồn tồn sau 30 phút tiếp xúc với hạt nano Bạc Nhiều lĩnh vực từ y tế đến sản xuất hàng tiêu dùng sử dụng nano bạc tác nhân giúp cho sản phẩm tạo có khả chống khuẩn, giúp chăm sóc bảo vệ sức khỏe người Trong nghiên cứu hóa học, bạc biết đến với hai ứng dụng chủ yếu làm vật liệu diệt khuẩn làm xúc tác cho phản ứng hóa học Các nghiên cứu dựa hai ứng dụng thực nhằm mục đích chế tạo vật liệu sở nano bạc có hoạt tính cao tối ưu hóa hiệu q trình Nano bạc ứng dụng nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản đem lại hiệu kinh tế cao, bền vững, giảm chi phí đầu tư quản lý dịch bệnh tơm, cá nói chung Nano bạc sử dụng để xử lý môi trường nước ô nhiễm, xử lý đáy ao (đầm nuôi) trước thả cá, tôm giống, diệt mầm bệnh môi trường nuôi cách an tồn, hiệu nhanh mà khơng gây ảnh hưởng đến 21 thủy sản Ngồi cịn nhiều thử nghiệm khoa học chứng minh phổ diệt khuẩn rộng nano bạc b Các phương pháp tổng hợp nano bạc Nano bạc tổng hợp sử dụng nhiều phương pháp khác Tùy vào mục đích, u cầu sử dụng, phương pháp áp dụng cách linh hoạt Các phương pháp tổng hợp nano bạc chia thành hai nhóm bao gồm nhóm phương pháp Hóa học Vật lý Phương pháp Hóa học: Phương pháp Hóa học phương pháp truyền thống ứng dụng nhiều tổng hợp nano bạc Ưu phương pháp Hóa học dễ thực hiện, khơng cần thiết bị phức tạp, điều khiển kích thước hạt nano bạc cách thay đổi linh hoạt hóa chất sử dụng nồng độ, hàm lượng chất tham gia phản ứng, loại hóa chất khử với độ khử mạnh yếu khác nhau, loại chất ổn định Ngồi ra, kích thước hạt nano bạc tạo điều khiển cách thay đổi yếu tố nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, tốc độ nhỏ giọt hay thời gian khử Phương pháp Hóa học kết hợp với số kỹ thuật vật lý sử dụng tia xạ hay sử dụng kỹ thuật điện hóa q trình thực giúp tối ưu điều khiển hình thành hạt nano bạc Phương pháp Hóa học chia thành phương pháp sau: + Phương pháp khử hóa học: Phương pháp sử dụng nhiều nghiên cứu thực tế để tổng hợp dung dịch chứa nano bạc vật liệu chứa nano bạc Đây phương pháp sử dụng xuyên suốt luận án Phương pháp dùng tác nhân hóa học để khử bạc ion thành bạc kim loại Thông thường, phản ứng thực dung dịch lỏng nên cịn gọi phương pháp hóa ướt Các chất khử thường dùng là: natribohidrua, natrixitrat, fomandehit, glyxerol, etylenglycol, hydrazin, axit ascorbic… Khi sử dụng chất khử mạnh natribohydrua hay hydrazin, phản ứng xảy nhanh, tạo phân tử nhỏ Tuy nhiên, nồng độ bạc tương đối cao, khuếch tán ion bạc chất bảo vệ, ví dụ phân tử 22 PVP (polyvinylpyrolidon), bị hạn chế, với tốc độ khử cao, dẫn đến kết độ chuyển hóa cao, nhiên phân bố kích thước hạt rộng Khi sử dụng tác nhân khử vừa phải focmandehyt, thu phân tử bạc có kích thước trung bình cỡ 30 nm với nồng độ bạc ban đầu khoảng 0,1M Với chất khử yếu ví dụ glucozo, phân tử nano bạc tạo có kích thước khoảng 20 nm, sản phẩm thu không đồng Cũng với chất khử glucozo, sử dụng nguồn bạc Ag2O, phân tử bạc thu có kích thước nằm khoảng từ 10 – 50 nm Trong phương pháp khử hóa học, t lệ chất khử, nồng độ ion Ag +, pH dung dịch, nồng độ polyme ảnh hưởng đến hiệu suất khử kích thước hạt bạc Thơng thường kim loại bạc điều chế từ muối bạc (thường AgNO3): R-CHO + 2Ag+ + 3NH3 + H2O → R-COONH4 +2Ag + 2NH 4 R-CHO + 2AgNO3 + 3NH3 + H2O → R-COONH4 +2Ag + 2NH4NO3 Nếu tác nhân khử andehit focmic, phản ứng xảy sau: H-CHO + 4AgNO3 + 6NH3 + 2H2O → (NH4)2CO3 + 4Ag + 4NH4NO3 Nếu tác nhân khử natri bohydrua (NaBH4), phản ứng khử xảy sau AgNO3 +NaBH4 → Ag + H2+ B2H6 + NaNO3 - Phương pháp phản ứng thế: Phương pháp sử dụng chủ yếu để tổng hợp dung dịch chứa nano bạc Người ta sử dụng kim loại có khả khử bạc ion thành bạc kim loại từ dung dịch muối bạc có mặt chất ổn định Ví dụ đồng (Cu) kim loại phản ứng với bạc nitrat dung dịch PVP, chế tạo keo nano bạc, có kích thước hạt khoảng 50 nm - Phương pháp khử hóa xạ: Bức xạ gamma sử dụng trình khử ion Ag+ thành Ag kim loại với nguồn xạ thường sử dụng xạ gama phát từ đồng vị Co-60 , Cs-137 máy phát chùm tia điện tử gia tốc Phương pháp khử hóa học sử dụng xạ ion hóa để chế tạo vật liệu nano kim loại thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu phát triển có số tính ưu việt: Khơng sử dụng chất khử nên thân thiện với môi trường, sản phẩm thu có độ tinh khiết cao Tác nhân khử tự sinh trình chiếu xạ phân tán tồn hệ phản ứng, chuyển hóa hồn tồn bạc ion thành bạc kim loại 23 Dễ dàng kiểm sốt kích thước phân bố kích thước thông qua việc chủ động điều chỉnh nồng độ ion bạc ban đầu liều xạ Phản ứng thực điều kiện nhiệt độ áp suất thường nên sử dụng chất ổn định khơng bền với nhiệt Phương pháp chế tạo giản tiện, có khả sản xuất khối lượng lớn, có hiệu kinh tế đảm bảo an tồn cho mơi trường Phương pháp khử hóa xạ sử dụng nguồn xạ UV từ đèn cực tím xenon - thủy ngân (150W) để chiếu xạ hỗn hợp dung dịch bạc ion, isopropanol, axeton polyme làm chất ổn định Hạt nano bạc có kích thước trung bình khoảng nm tạo khử bạc ion tia cực tím gốc tự phương pháp khử xạ Để tổng hợp dung dịch chứa nano bạc, phương pháp khử hóa xạ cho thấy có hiệu tốt Tuy nhiên phương pháp chưa nghiên cứu nhiều chế tạo vật liệu chứa nano bạc với chất mang có cấu trúc mao quản, hạn chế khả khử hoàn toàn ion bạc hệ mao quản vật liệu mang - Phương pháp điện hóa: Hạt nano bạc có kích thước trung bình khoảng 17 nm tổng hợp bình điện phân, sử dụng Pt làm cực âm sợi bạc làm cực dương, hai cực cách cm Dung dịch điện phân chứa dimetylformamid, Bu4NPF6, viologen-cavitand (MVCA-C58+) Trong trình điện phân, bạc ion giải phóng từ điện cực bạc vào dung dịch tác dụng chất khử điện hóa MVCA-C58+, hạt nano bạc hình thành dung dịch Phương pháp điện hóa tạo nano bạc thực theo ngun lí dùng phương pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo hạt nano Phương pháp điện phân thơng thường tạo màng mỏng kim loại Trước xảy hình thành màng, nguyên tử kim loại sau điện hóa tạo hạt nano bám lên điện cực âm Lúc người ta tác dụng xung siêu âm đồng với xung điện phân hạt nano kim loại rời khỏi điện cực vào dung dịch Do hạn chế việc lựa chọn đối tượng vật liệu mang làm điện cực quy mô, khả triển khai nên phương pháp sử dụng phổ biến so với phương pháp hóa ... khoa, Đại học Đà Nẵng 52 2.3 TỔNG HỢP NANO BẠC TỪ DỊCH CHIẾT TANIN TỪ VỎ CÂY KEO LÁ TRÀM Quy trình khảo sát tổng hợp nano bạc từ tác nhân khử tanin chiết tách từ keo tràm theo Hình 2.2: Hình 2.2... tương tự với dung dịch tanin có nồng độ 2g/1000 mL; 3g/1000 mL; 4g/1000 mL; 5g/1000 mL 2.2 QUY TRÌNH CHIẾT TÁCH TANIN TỪ VỎ CÂY KEO LÁ TRÀM Quy trình chiết tách tanin từ vỏ keo tràm theo sơ đồ quy... phản ứng oxi hóa - khử tanin 1.4.4 Công dụng tanin Ở cây, tanin tham gia vào trình trao đổi chất, trình oxi hóa khử, chất đa phenol, tanin có khả kháng khuẩn nên có vai trị bảo vệ cho Tanin hợp chất