ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ KIM LUYẾN

NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN CỦA β–
CHITIN–g –PAAc (POLY ACRYLIC ACID)/ BẠC NANO
CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ GAMMA

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số ngành: 60 42 80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2010


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI
CÔNG NGHỆ BỨC XẠ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1:……………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 2:……………………………………………………………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 09 tháng 08 năm 2010.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1……………………………………………………………………..

2……………………………………………………………………..
3……………………………………………………………………..
4……………………………………………………………………..
5……………………………………………………………………..
Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
______________________

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập- Tự do- Hạnh phúc
______________________

T p. HCM, ngày ….tháng ….năm 2010

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Thị Kim Luyến
Giới tính : Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1983
Nơi sinh: Lâm Đồng
Chun ngành: Cơng nghệ sinh học
MSHV: 03108137
Khóa (năm trúng tuyển ): 2008

I-TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN CỦA β–CHITIN–g –
PAAc (POLY ACRYLIC ACID)/ BẠC NANO CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG
PHÁP CHIẾU XẠ GAMMA.
II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Chế tạo chitin từ mai mực.
2. Chế tạo partially deacetylated chitin (PD-chitin) có độ đề acetyl ( DD%) từ
30 đến 40% và biến tính ghép PD-chitin với monomer acrylic acid (AAc)
bằng phương pháp chiếu xạ tạo PD-chitin-g-PAAc.
3. Gắn Bạc nano lên PD-chitin-g-pAAc.
4. Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật trong nước của bac nano gắn trên giá
thể.
5. Lựa chọn mẫu bạc tối ưu gắn trên giá thể và Thử nghiệm xử lý vi sinh vật đối
với nước uống.

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN VĂN VINH
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông qua
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

TS. NGUYỄN VĂN VINH

PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG


Lời cảm ơn

Với tất cả lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn
Tiến sĩ Nguyễn Văn Vinh
Tiến sĩ Nguyễn Quố c Hiến
đ ã đị nh hướng đề tài, hướng dẫ n và luôn tạ o đ iều kiện tốt để tơi hồn thành tốt luận vă n này. Cảm ơn thầ y Nguyễn

Quốc Hiến đ ã cho em những bài họ c kinh nghiệm khoa học quý giá và bổ ích.
Con cảm ơn ba mẹ đã ln vun đắp và động viên cho những nỗ lực của con.
Tôi chân thành cảm ơn:
Các quý thầ y cô của bộ môn sinh học trường Đại học bách khoa TP.HCM đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu
trong hai nă m qua.
Các quý thầ y cô, anh chị, và các bạn thuộc Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Cơng nghệ Bức xạ đ ã nhiệt tình giúp đỡ tơi
hồn thành tốt luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè tôi, các bạ n đ ã chia sẽ, giúp đỡ và động viên tôi rấ t nhiều trong suốt thời gian
vừa qua.
TP. HCM ngày 01 tháng 08 năm 2010
Kim Luyến


TĨM TẮT
Cơng nghệ bức xạ là một phương pháp hiệu quả để biến tính vật liệu polyme.
Trong luận văn này, tác giả trình bày phương pháp chế tạo bạc nano gắn lên polyme
ghép chitin đề axetyl một phần-g-PAAc và khảo sát hiệu ứng kháng khuẩn của vật
liệu này. Trước hết, chitin được đề axetyl một phần bằng cách ngâm chitin trong
dung dịch NaOH với nồng độ khác nhau 10-30% (w/v) tại nhiệt độ phòng trong 2
ngày. Độ đề axetyl của chitin được xác định qua phổ hồng ngoại. Sau đó, chitin một
phần đề axetyl được ngâm trương trong monome axit acrylic AAc với nồng độ 10,
20, 30 và 50% (v/v) trong 24 giờ. Quá trình polyme ghép được thực hiện bằng bức
xạ gamma Co-60 với liều xạ là 4, 8, 12, 16, 20 kGy. Tiếp theo, các hạt bạc nano sẽ
được gắn lên polyme ghép và được phân tích qua ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét
và kính hiển vi điện tử truyền qua.

Bạc nano gắn lên polyme ghép chitin-PAAc cho thấy hiệu ứng kháng vi
khuẩn E. coli và một số loại vi khuẩn hiếu khí tùy thuộc vào phần trăm ghép và tổng
hàm lượng bạc gắn lên polyme ghép. Bạc nano gắn lên polyme ghép chitin-PAAc
thể hiện khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn sau 1 giờ ngâm 1g vật liệu vào
môi trường nuôi cấy tại 37 0C.


ABSTRACT
Radiation processing technology is an useful tool for modification of
polymer material including grafting of monomer on to polymer. In this study,
partially deacetylated chitin (PD-chitin) was prepared by soaking chitin in NaOH
solution with various concentration from 10-30% (w/v) at room temperature for 2
days. The degree of deacetylation (DD%) of chitin samples was measured by IR
spectroscopy method. PD-chitin was immerged in AAc solution with different
concentrations 10, 20, 30 and 50% (v/v) for swelling 24 hours. Then, each swelled
PD-chitin sample was irradiated with Co-60 radiation at dose of 4, 8, 12, 16, 20
kGy for grafting. The grafting product, so called PD-chitin-g-PAAc was coated with
silvernano particle. The resulting silvernano particle–loaded PD-chitin-g-PAAc was
characterzed by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron
microscopy (TEM).
Silvernano particle-loaded grafted PD-chitin-g-PAAc shows antibacterial
activity against Escherichia coli and some aerobic microorganisms depending
upon the percent of grafting of the polymer network and the amount of nano Ag
load into PD-chitin-g-PAAc. Finally, the silver nanoparticles load PD-chitin-gPAAc is found to suppress the bacterial growth after 1 hour the immersion of 1gthe materials into a nutrient broth at 370 C.


i

MỤC LỤC
Trang

LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................... 4
1.1. Giới thiệu vật liệu nano .................................................................................4
1.1.1. Khái niệm về khoa học, cơng nghệ và vật liệu nano................................4
1.1.2. Tính chất của vật liệu nano .....................................................................4
1.1.3. Phân loại vật liệu nano............................................................................6
1.2. Hạt nano kim loại..........................................................................................7
1.2.1. Tính chất của hạt nano kim loại ..............................................................8
1.2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano kim loại.................................................10
1.2.3. Các phương pháp chế tạo bạc nano. ......................................................13
1.3. Ứng dụng của vật liệu nano.........................................................................15
1.3.1. Ứng dụng của vật liệu nano nói chung..................................................15
1.3.2. Bạc nano...............................................................................................16
1.4. Chitosan......................................................................................................20
1.4.1. Giới thiệu sơ lược về chitin và chitosan ................................................20
1.4.2. Tính chất vật lý và tính chất hóa học của chitosan ................................23
1.4.3. Dẫn xuất của chitin và chitosan ............................................................26
1.4.4. Ứng dụng của chitosan và dẫn xuất.......................................................27
1.5. Giới thiệu sơ lược về công nghệ bức xạ.......................................................28
1.5.1. Một số khái niệm và định nghĩa............................................................29
1.5.2. Công nghệ bức xạ và các lĩnh vực bức xạ .............................................29
1.5.3. Nguồn bức xạ .......................................................................................30
1.5.4. Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình biến tính bức xạ .......................30
1.6. Chủng vi sinh vật .......................................................................................36
1.6.1 Escherichia coli. ....................................................................................36
1.7. Các chỉ tiêu vi sinh vật trong nước uống.[11] ..............................................38


ii


1.8. Mục đích nghiên cứu...................................................................................39
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM.......................................................................... 42
2.1. Hóa chất và thiết bị .....................................................................................42
2.1.1. Hóa chất ...............................................................................................42
2.1.2. Chủng vi sinh vật..................................................................................43
2.2. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................43
2.2.1. Chế tạo β -chitin từ mai mực.................................................................43
2.2.2. Chế tạo partially deacetylated chitin (PD-chitin) có độ đề acetyl ( DD%)
từ 30 đến 40% và biến tính ghép PD-chitin với monomer acrylic acid (AAc)
bằng phương pháp chiếu xạ tạo PD-chitin-g-PAAc. .......................................44
2.2.3. Gắn Bạc nano lên PD-chitin-g-PAAc....................................................45
2.2.4. Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật trong nước của bac nano gắn trên
giá thể. ...........................................................................................................49
2.2.5. Phân tích hàm lượng bạc ly giải ra trong nước. ....................................50
2.2.6. Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước của bạc nano
gắn PD-chitin-g-PAAc bằng phương pháp hấp phụ. .......................................51
2.2.7. Phương pháp xác định độ deacetyl........................................................51
2.2.8. Phương pháp xác định hoạt tính kháng khuẩn. ......................................52
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 56
3.1. Chế tạo β -chitin từ mai mực. ......................................................................56
3.2. Chế tạo partially deacetylated chitin (PD-chitin) có độ đề acetyl ( ĐĐA%) từ
30 đến 40% và biến tính ghép PD-chitin với monomer acrylic acid (AAc) bằn g
phương pháp chiếu xạ tạo PD-chitin-g-PAAc. ...................................................56
3.2.1.Chế tạo partially deacetylated chitin (PD-chitin) có độ đề acetyl ( ĐĐA%)
từ 30 đến 40%. ...............................................................................................56
3.2.2. Biến tính ghép PD-chitin với monomer acrylic acid (AAc) bằng phương
pháp chiếu xạ tạo PD-chitin-g-PAAc..............................................................58
3.3. Gắn Bạc nano lên PD-chitin-g-PAAc. .........................................................61
3.4. Khảo sát hoạt tính kháng E.coli...................................................................65



iii

3.4.1. Khảo sát hoạt tính kháng E.coli của bạc nano gắn PD-chitin-g-PAAc
bằng phương pháp hấp phụ.............................................................................65
3.5. Phân tích hàm lượng bạc bị thôi ra trong nước. ..........................................69
3.6. Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước của bạc nano gắn
PD-chitin-g-PAAc bằng phương pháp hấp phụ. .................................................70
3.6.1. Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước theo thời gian
của PD-chitin-g-PAAc/Bạc nano bằng phương pháp hấp phụ.........................70
3.6.2. Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước theo khối lượng
của bạc nano gắn PD-chitin-g-PAAc bằng phương pháp hấp phụ. ..................71
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.......................................................... 74
4.1. Kết Luận .....................................................................................................74
4.2. Đề Nghị ......................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 75
PHỤ LỤC


iv

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu...................... 5
Bảng 1.2: Độ dài đặc trưng một số tính chất của vật liệu......................................... 6
Bảng 1.4.1 c: Một số thông số đặc trưng của chitin và chitosan ............................ 23
Bảng 3.2.1: Độ độ đề acetyl của β-chitin theo nồng độ NaOH khác nhau.............. 56
Bảng 3.2.2 a: Hàm lượng ghép pAAc của PD-chitin với các nồng độ pAAc khác
nhau ở liều xạ 8 kGy.............................................................................................. 58
Bảng 3.2.2 b: Hàm lượng ghép pAAc của PD-chitin với các liều xạ khác nhau .... 59

Bảng 3.3.1: Gắn bạc nano lên PD-chitin-g-PAAc bằng phương pháp hấp phụ và
phương pháp chiếu xạ trực tiếp.............................................................................. 61
Bảng 3.3.2: So sánh mật độ quang và bước sóng bạc nano tạo thành của phương
pháp hấp phụ và phương pháp chiếu xạ trực tiếp-nồng độ bạc 10 mM................... 62
Bảng 3.4.1: Hiệu suất kháng kháng E.coli của bạc nano gắn PD-chitin-g-PAAc
bằng phương pháp hấp phụ.................................................................................... 65
Bảng 3.4.2: Hoạt tính kháng E.coli của bạc nano gắn PD-chitin-g-PAAc bằng
phương pháp chiếu xạ trực tiếp.............................................................................. 67
Bảng 3.5: Hàm lượng bạc bị thơi ra trong nước..................................................... 69
Bảng 3.6.1: Hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước theo thời gian (1g vật
liệu)....................................................................................................................... 70
Bảng 3.6.2: Hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước theo khối lượng ....... 71


v

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.3.2.1: Ảnh SEM của S.aureus và E.coli. Tế bào bình thường (A) và tế bào
(B) ni trên LB agar chứa dung dịch bạc nano 10 ppm ............................................ 18
Hình 1.3.2.2: Một số sản phẩm ứng dụng của nano bạc trên thị trường (A: Tủ lạnh
kháng khuẩn, B: Bình sữa kháng khuẩn; C: Kem đánh răng kháng khuẩn). ............... 20
Hình 1.4.1 a: Cơng thức cấu tạo của chitin và chitosan ............................................. 20
Hình 1.4.1 b: Mơ hình cấu trúc mạng tinh thể của chitin........................................... 21
Hình 1.4.1 c: Cơng thức cấu tạo của chitosan............................................................ 22
Hình 1.4.3: Hình các dẫn xuất của chitin và chitosan ................................................ 26
Hình 2.2.1: Mơ hình tóm tắt sản xuất chitin .............................................................. 43
Hình 2.2.1.1: Chế tạo partially deacetylated chitin (PD-chitin) ................................. 44
Hình 2.2.3.2: Sơ đồ quy trình gắn bạc nano lên PD-chitin-g-PAAc bằng phương
pháp hấp phụ ............................................................................................................. 47

Hình 2.2.3.3: Sơ đồ quy trình gắn bạc nano lên PD-chitin-g-PAAc bằng phương
pháp chiếu xạ trực tiếp............................................................................................... 48
Hình 3.1: β -chitin chế tạo từ mai mực...................................................................... 56
Hình 3.2.1: Ảnh SEM PD-chitin nồng độ NaOH 20% .............................................. 57
Hình 3.2.2 b: Phổ IR của PD-chitin ghép pAAc và PD-chitin ................................... 60
Hình 3.2.2.c: Ảnh SEM PD-chitin-g-pAAc nồng độ AAc 30%................................ 61
Hình 3.3.1: Ảnh SEM gắn bạc nano lên vật liệu bằng phương pháp hấp phụ và
phương pháp chiếu xạ trực tiếp (nồng độ bạc 5mM). ................................................. 62
Hình 3.3.2 a: Ảnh TEM và đường kính trung bình của bạc nano tạo ra bằng phương
pháp hấp phụ (nồng độ bạc nano 10mM .................................................................... 63
Hình 3.3.2 b: Ảnh vật liệu PD-chitin-g-pAAc/Ag nano với các nồng độ bạc khác
nhau (1mM, 5 mM, 10mM)....................................................................................... 64


vi

DANH MỤC ĐỒ THỊ
Trang
Đồ thị 3.2.1: Độ độ đề acetyl của β-chitin theo nồng độ NaOH khác nhau ............ 57
Đồ thị 3.2.2 a: Hàm lượng ghép pAAc của PD-chitin với các nồng độ pAAc khác
nhau ở liều xạ 8 kGy.............................................................................................. 59
Đồ thị 3.2.2 b: Hàm lượng ghép pAAc với các liều xạ khác nhau. Nồng độ AAc
30%....................................................................................................................... 59
Đồ thị 3.3.1: Gắn bac nano lên PD-chitin-g-PAAc bằng phương pháp hấp phụ và
phương pháp chiếu xạ trực tiếp.............................................................................. 61
Đồ thị 3.4.1 a: PD-chitin-g-PAAc bằng phương pháp hấp phụ.............................. 65
Đồ thị 3.4.1 b: Đồ thị biểu diễn giá trị OD610nm và thời gian nuôi cấy E.coli với môi
trường LB đối chứng và môi trường LB chứa PD-chitin-g-pAAc/Ag nano chế tạo
bằng PPHP, nồng độ bạc 1mM, 5mM và 10mM.................................................... 66
Đồ thị 3.4.2 a: Hoạt tính kháng E.coli của bạc nano gắn PD-chitin-g-pAAc bằng

phương pháp chiếu xạ trực tiếp.............................................................................. 67
Đồ thị 3.4.2 b: Đồ thị biểu diễn giá trị OD610nm và thời gian nuôi cấy E.coli với môi
trường LB đối chứng và môi trường LB chứa PD-chitin-g-pAAc/Ag nano chế tạo
bằng PPCXTT, nồng độ bạc 1mM, 5mM và 10mM. ............................................. 68
Đồ thị 3.5: Hàm lượng bạc bị thôi ra trong nước, vật liệu β-chitin-g-pAAC/Ag
nano ...................................................................................................................... 69
Đồ thị 3.6.1: Hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước theo thời gian của PDchitin-g-PAAc/Bạc nano bằng phương pháp hấp phụ.(1g vật liệu)......................... 70
Đồ thị 3.6.2: Hoạt tính kháng vi sinh vật hiếu khí trong nước theo khối lượng của
PD-chitin-g-Hình PAAc/Bạc nano bằng phương pháp hấp phụ.............................. 71


vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

CNBC

Công nghệ bức xạ

VINAGAMMA

Trung tâm nghiên cứu và triển khai cơng nghệ bức xạ
TP.HCM

CFU

Đơn vị hình thành khuẩn lạc


PPHP

Phương pháp hấp phụ

PPCXTT

Phương pháp chiếu xạ trực tiếp

SEM

Scanning Electron Microscope ( Kính hiển vi điện tử quét)

PD-chitin-g-pAAc

Partially deacetylated chitin ghép poly acrylic acid

pAAc

poly acrylic acid

Phổ IR

Phổ hồng ngoại

ĐĐA

Độ đề acetyl

ĐA


Độ acetyl

VSATTP

Cục Vệ sinh an toàn thực phẩm thành phố

ICP-AES

Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission
Spectrometry (máy đo phổ phát xạ nguyên tử cảm ứng
plasma)
Transmission electron microscopy (kính hiển vi điện tử
truyền qua

TEM


1

LỜI MỞ ĐẦU
Xu hướng của khoa học ứng dụng hiện nay là tích hợp các khả năng của từng bộ
mơn khoa học riêng lẻ để nhằm làm tăng tính hiệu quả khoa học. Vấn đề này được
thấy rõ trong nghiên cứu về nano-nanotechnology. Có thể nói nghiên cứu về nano
đã cho nhiều hiệu quả bất ngờ và có tính ứng dụng cao. Việc kết hợp cơng nghệ
nano, cơng nghệ hóa học và công nghệ vi sinh đã giúp cho các nhà khoa học có thể
nghiên cứu trên đối tượng vi sinh vật, vi khuẩn. Phát huy lợi thế về công nghệ nano,
các nhà khoa học có thể nghiên cứu các đối tượng nhỏ bé có kích thước ngun tử
[2]. Do kích thước hạt kim loại nano từ 0,1 đến 100nm cho thấy chúng có nhiều đặc
tính mới, đặc biệt là về hoạt lực hóa học và sinh học. Điển hình đối với kim loại bạc

kích cỡ nm đã thể hiện tối đa đặc tính kháng khuẩn vốn có, ví dụ như hoạt tính
kháng khuẩn cao gấp 20-26 lần Ag+ [24], [26] . Cho đến nay, nhiều sản phẩm chứa
bạc nano như dung dịch khử mùi hôi cơ thể, nước sát khuẩn,… đã được thương mại
hóa. Bạc nano có thể được chế tạo theo nhiều phương pháp khác nhau. Phương
pháp chiếu xạ là một trong những phương pháp đạt năng suất cao, tiết kiệm và sản
phẩm đạt độ tinh khiết cao [1] .
Trong phân tử chitin, chitosan và một số dẫn xuất của chitin có chứa nhóm
chức, trong đó các nguyên tử oxi và nitơ của nhóm chức cịn cặp electron chưa sử
dụng, do đó chúng có tính năng hóa và sinh học cao... Tùy nhóm chức trên mạch
polymer của chitin, chitosan sẽ có thành phần và cấu trúc của phức khác nhau.
Bạc nano được tạo bằng phương pháp chiếu xạ hay bất cứ phương pháp nào
khác cũng có khuynh hướng kết tụ thành những hạt có kích thước lớn hơn nếu
chúng khơng được bảo vệ. Đã có nhiều tác giả tìm ra các polymer có khả năng ổn
định keo kim loại nano như Polyvinyl pirrolidone (PVP), polyvinyl alcol (PVA),
polyacrylate, polyacrymide (PAM),…Ngồi ra chitosan là một amino polysacarit
mang đặc tính hoạt động sinh học và tương hợp sinh học. Chitosan được sử dụng
đồng thời làm chất ổn định và chất bắt gốc tự do. Khi phản ứng với những nhóm


2

NH2 của chuỗi chitosan, bạc nano bị bao quanh bởi những mảnh chitosan và vì vậy
hạt nano có thể giữ khơng kết tụ trong suốt q trình chiếu xạ.
Hiện nay, ô nhiễm môi trường và vệ sinh an toàn thực phẩm đang là vấn đề
được quan tâm không chỉ trong giới khoa học mà còn lan rộng đến các nhà lãnh
đạo quốc gia và các tổ chức Quốc tế như WHO, Liên hợp quốc… Theo thông tin từ
Cục y tế dự phòng Việt Nam, hai yếu tố dễ dẫn đến đại dịch là nhiễm khuẩn nguồn
nước và ăn uống đường phố. Trong đó, đáng lo ngại nhất là nhiễm khuẩn nguồn
nước sinh hoạt.
Vấn đề thời sự hiện nay là nước uống đóng chai khơng đạt tiêu chuẩn vi sinh

vật, như nhiễm trực khuẩn Coliforms, E. coli… ,(gây các bệnh tiêu chảy, viêm
đường ruột nguy hiểm) đang trở nên phổ biến. Theo Cục Vệ sinh an toàn thực phẩm
thành phố (VSATTP), hiện chỉ một số ít các cơng ty nước giải khát có uy tín đầu
tư nhà xưởng và máy móc theo tiêu chuẩn, còn đại đa số các cơ sở sản xuất tư nhân
đều chật hẹp, tạm bợ, nhếch nhác và không đảm bảo vệ sinh môi trường sản xuất,
nên chất lượng sản phẩm hầu hết không được kiểm định.
Ở đề tài này, nhóm nghiên cứu tiến hành gắn bạc nano lên β–chitin–g–pAAc
(poly acrylic acid). Chitosan, [β-(1→ 4)-2-amino-2-deoxy-D-glucozo], một polyme
sinh học dạng glucosamin là sản phẩm deacetyl hóa chitin, poly (β-(1→ 4)- Naxetyl-D-glucosamin) lấy từ vỏ tôm, cua, một vài loại nấm và một số loài động vật
giáp xác. Chitin có nhiều trong tự nhiên, nó cịn là phế thải phổ biến của ngành công
nghiệp chế biến thủy sản. Khi xử lý để chuyển sang dạng chitosan với giá khá rẻ lại
có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng. Do đặc tính của nhóm amino tự do trong
cấu trúc chitosan được tạo thành khi deacetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm
cho khả năng hấp phụ kim loại tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin. Khi ghép một số
nhóm chức vào khung cấu trúc của chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại
của chitosan lên nhiều lần. (Tạp chí Cơng nghiệp Hố chất số 6/2004)
Đề tài tiến hành deacetyl hóa một phần chitin và biến đổi bằng cách gắn
thêm monomer (Acrylic acid). Việc này sẽ giúp bạc nano được giữ tốt hơn, nhằm
phục vụ cho mục đích xử lý vi sinh vật trong nước được thuận lợi hơn.


3


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu vật liệu nano
1.1.1. Khái niệm về khoa học, công nghệ và vật liệu nano
Thuật ngữ nano (có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, nano nghĩa là bé nhỏ) dùng để

chỉ 1 phần tỷ kích cỡ của vật, chất nào đó. Vì vậy, một nanomét là một phần tỷ của
mét, nó xấp xỉ kích cỡ của 10 nguyên tử hydro.
Khoa học nano: là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can
thiệp (manipulation) vào vật liệu ở quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử, làm
cho tính chất của chúng khác hẳn với tính chất ở các quy mô lớn hơn.
Công nghệ nano: là việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các vật liệu ở quy mô
nano mét.
Vật liệu nano: là sản phẩm của hai ngành khoa học nano và cơng nghệ nano.
Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm
[5].
1.1.2. Tính chất của vật liệu nano
Tính chất của vật liệu nano là một trong những vấn đề được các nhà khoa học
quan tâm hàng đầu [13]. Sự khác biệt về tính chất của vật liệu nano so với vật liệu
khối là do:
1.1.2.1. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước nanơmét thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và
tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng đáng kể, nghĩa là các số nguyên tử nằm trên
bề mặt sẽ chiếm một tỉ lệ đáng kể so với tổng số ngun tử. Chính vì điều này mà
các hiệu ứng liên quan đến bề mặt của vật liệu trở nên quan trọng, làm cho tính chất
của vật liệu có kích thước nanơmét khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. Ta xét ví
dụ sau đây : Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt của vật liệu được tạo thành
từ các hạt nano hình cầu, n là tổng số nguyên tử thì ta có mối liên hệ như sau
n s=4n(2/3). Gọi f là tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử khi đó f


5

= n s/n =4n(2/3)/n = 4n-1/3 = 4 r0/r, trong đó r0 là bán kính của ngun tử và r là bán
kính của hạt nano. Như vậy nếu kích thước của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số bề
mặt sẽ tăng lên (f tăng). Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so

với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu
giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng
bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f
này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt
khơng có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với r theo một
hàm liên tục [5].
Bảng 1.1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu
Đường kính
hạt nano
(nm)

Số nguyên

Tỉ số nguyên tử

tử

trên bề mặt (%)

Năng lượng

Năng lượng

bề mặt

mặt/Năng

(erg/mol)

lượng tổng(%)


10

30.000

20

4,08 ×1011

7,6

5

4.000

40

8,16 ×1011

14,3

2

250

80

2,04 ×1012

35,3


1

30

90

9,23 ×1012

82,2

Bảng 1.1 cho biết một số giá trị điển hình của hạt nano hình cầu. Với hạt nano
hình cầu có đường kính 5nm thì số nguyên tử tương ứng là 4.000 nguyên tử, tỉ số f
là 40%, năng lượng bề mặt là 8.16 x1011 và tỉ số năng lượng bề mặt trên năng lượng
tổng là 14,3%, tuy nhiên các giá trị vật lý sẽ giảm đi một nửa nếu đường kính của
hạt nano tăng gấp hai lần, nghĩa là đường kính hạt nano bằng 10 nm.
1.1.2.2. Hiệu ứng kích thước
Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật
liệu nano có những tính chất khác biệt hơn nhiều so với vật liệu truyền thống. Ở vật
liệu khối, kích thước của vật liệu lớn hơn rất nhiều lần độ dài đặc trưng của vật liệu,
điều này đã qui định những tính chất vật lý của vật liệu như chúng ta đã biết. Nhưng


6

khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng của vật liệu thì
tính chất vật lý của vật liệu có những thay đổi đột ngột, và chúng khác hẳn so với
những tính chất mà chúng ta đã biết trước đó. Trong trường hợp này khơng có sự
chuyển tiếp từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Ví dụ, vật liệu sắt từ được hình thành
từ những đơ men, trong lịng một đơ men, các ngun tử có từ tính sắp xếp song

song với nhau nhưng lại không nhất thiết phải song song với mô men từ của nguyên
tử ở một đô men khác. Giữa hai đơ men có một vùng chuyển tiếp được gọi là vách
đô men. Độ dày của vách đô men phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà có thể dày
từ 10-100 nm. Nếu vật liệu tạo thành từ các hạt chỉ có kích thước bằng độ dày vách
đơ men thì sẽ có các tính chất khác hẳn với tính chất của vật liệu khối vì ảnh hưởng
của các nguyên tử ở đô men này tác động lên nguyên tử ở đô men khác [7]. Bảng
1.2 cho thấy giá trị độ dài đặc trưng một số tính chất của vật liệu.
Bảng 1.2: Độ dài đặc trưng một số tính chất của vật liệu
Tính chất

Thơng số

Độ dài đặc trưng (nm)

Điện

Hiệu ứng đường ngầm

1-10

Từ

Giới hạn siêu thuận từ

5-100

Xúc tác

Hình học topo bề mặt


1-10

Miễn dịch

Nhận biết phân tử

1-10

1.1.3. Phân loại vật liệu nano
Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách đều có những mặt mạnh và
yếu khác nhau. Sau đây là một vài cách phân loại thường dùng.
1.1.3.1. Phân loại theo hình dáng của vật liệu: người ta đặt tên số chiều khơng bị
giới hạn ở kích thước nano
 Vật liệu nano khơng chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano), ví dụ đám
nano, hạt nano.
 Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví
dụ dây nano, ống nano.


7

 Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví
dụ màng mỏng.
 Ngồi ra cịn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không
chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Cũng theo cách phân loại theo hình dáng của vật liệu, một số người đặt tên số
chiều bị giới hạn ở kích thước nano. Nếu như thế thì hạt nano là vật liệu nano 3
chiều, dây nano là vật liệu nano 2 chiều và màng mỏng là vật liệu nano 1 chiều.
Cách này ít phổ biến hơn cách ban đầu [7].

1.1.3.2. Phân loại theo tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nano
 Vật liệu nano kim loại
 Vật liệu nano bán dẫn
 Vật liệu nano từ tính
 Vật liệu nano sinh học
Nhiều khi người ta phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái
niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, đối tượng chính của chúng ta sau đây
là "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" được phân loại theo hình dáng, "kim loại"
được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả "từ
tính" và "sinh học" đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất [5].

1.2. Hạt nano kim loại
Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các vật liệu có kích thước nano được
tạo thành từ các kim loại. Người ta biết rằng hạt nano kim loại như hạt nano vàng,
nano bạc được sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc
Lycurgus được người La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tư trước công nguyên và
hiện nay được trưng bày ở bảo tàng Anh. Chiếc cốc đó đổi màu tùy thuộc vào cách
người ta nhìn nó. Nó có màu xanh lục khi nhìn ánh sáng phản xạ trên cốc và có màu
đỏ khi nhìn ánh sáng đi từ trong cốc và xuyên qua thành cốc. Các phép phân tích


8

ngày nay cho thấy trong chiếc cốc đó có các hạt nano vàng và bạc có kích thước 70
nm và với tỉ phần mol là 14:1. Tuy nhiên, phải đến năm 1857, khi Michael Faraday
nghiên cứu một cách hệ thống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương
pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt
đầu. Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu
được các tính chất thú vị của hạt nano. Một trong những tính chất đó là màu sắc của
hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và hình dạng của chúng. Ví dụ, ánh

sáng phản xạ lên bề mặt vàng ở dạng khối có màu vàng. Tuy nhiên, ánh sáng truyền
qua lại có màu xanh nước biển hoặc chuyển sang màu da cam khi kích thước của
hạt thay đổi. Hiện tượng thay đổi màu sắc như vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng
hưởng plasmon bề mặt. Chỉ có các hạt nano kim loại, trong đó các điện tử tự do mới
có hấp thụ ở vùng ánh sáng khả kiến làm cho chúng có hiện tượng quang học thú vị
như trên. Ngồi tính chất trên, các hạt nano bạc cịn được biết có khả năng diệt
khuẩn. Hàng ngàn năm trước người ta thấy sữa để trong các bình bạc thì để được
lâu hơn. Ngày nay người ta biết đó là do bạc đã tác động lên enzym liên quan đến
q trình hơ hấp của các sinh vật đơn bào [13].
1.2.1. Tính chất của hạt nano kim loại
Hạt nano kim loại có hai tính chất khác biệt so với vật liệu khối đó là hiệu ứng
bề mặt và hiệu ứng kích thước. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim
loại, nghĩa là có mật độ điện tử tự do lớn. Do vậy tính chất của vật liệu cịn có
những đặc trưng riêng khác với vật liệu đơn thuần chỉ có hai tính chất trên, hay các
vật liệu khơng có mật độ điện tử tự do hoặc có nhưng thấp trong thành phần cấu
trúc của vật liệu.
1.2.1.1. Tính chất quang
Tính chất quang của các hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản
phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau được người La Mã sử dụng từ hàng
năm trước. Các hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (surface plasmon


9

resonance) do điện tử tự do trong hạt nano hấp thụ ánh sáng chiếu vào. Kim loại có
nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ
trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao động bị dập tắt nhanh chóng
bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể trong kim loại khi quãng
đường tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thước. Nhưng khi kích thước của
kim loại nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt của các điện

tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động như vậy,
các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho các hạt bị phân cực điện tạo thành
một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào nhiều
yếu tố nhưng các yếu tố về hình dạng, độ lớn của hạt nano và mơi trường xung
quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Ngồi ra, mật độ hạt nano cũng ảnh
hưởng đến tính chất quang. Nếu mật độ lỗng thì có thể coi như gần đúng hạt tự do,
nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hưởng của q trình tương tác giữa các hạt.
1.2.1.2. Tính chất điện
Tính dẫn điện của kim loại rất tốt hay điện trở của kim loại nhỏ nhờ vào mật độ
điện tử tự do cao trong đó. Đối với vật liệu khối, các lí luận về độ dẫn dựa trên cấu
trúc vùng năng lượng của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện
tử lên các sai hỏng trong mạng tinh thể và tán xạ dao động với nhiệt của nút mạng.
Tập thể các điện tử chuyển động trong kim loại dưới tác dụng của điện trường (U)
có liên hệ với nhau thơng qua định Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở kim loại.
Định luật Ohm cho thấy đường I-U là một đường tuyến tính. Khi kích thước của vật
liệu giảm dần, hiệu ứng lượng tử do giam hãm làm rời rạc hóa cấu trúc Coulomb
(Coulomb blockade) làm cho đường I-U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc sai khác
nhau một lượng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là
điện dung và điện trở kháng nối hạt nano với điện cực [5].


10

1.2.1.3. Tính chất từ
Các kim loại q như vàng, bạc…có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù
trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ trên sẽ khơng tồn diện
nữa và vật liệu có từ tính tương đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ trạng thái khối
như kim loại chuyển tiếp sắt, coban, niken thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tự
sắt từ làm chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu
thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và khơng có từ tính khi từ trường bị ngắt

đi, tức là từ dư và lực kháng từ hoàn toàn bằng khơng [7].
1.2.1.4. Tính chất nhiệt
Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức liên kết giữa các nguyên
tử trong mạng tinh thể. Trong tinh thể, mỗi một nguyên tử có một số các nguyên tử
lân cận có liên kết mạnh gọi là số phối vị. Các nguyên tử trên bề mặt vật liệu sẽ có
số phối trí nhỏ hơn số phối vị của nguyên tử bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái
sắp xếp để có những trạng thái khác hơn. Như vậy, nếu kích thước của hạt nano
giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 5000, kích thước 6
nm có Tm = 9500C.
1.2.2. Phương pháp chế tạo hạt nano kim loại
Vật liệu nano chủ yếu được tiếp cận và chế tạo bằng hai phương pháp: phương
pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up).
 Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo vật liệu có kích thước nano
từ vật liệu khối ban đầu, hay là tạo hạt có kích thước nano từ hạt có kích thước
lớn hơn bằng ngun lý sau: dùng kỹ thuật nghiền và làm biến dạng vật liệu, để
biến vật liệu có kích thước lớn hơn về kích thước nano. Phương pháp này được
đánh giá là một phương pháp khá đơn giản, dễ làm và có thể tạo được số lượng
sản phẩm lớn, nhưng sản phẩm thu được có độ tinh khiết và độ đồng nhất không
cao, chất lượng vật liệu nano còn nhiều hạn chế. Trong kỹ thuật nghiền vật liệu


11

được chuẩn bị ở dạng bột sẽ được trộn lẫn với những viên bi được làm từ những
vật liệu rất cứng và cùng để trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc,
nghiền rung hay là nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Trong kỹ
thuật này các viên bi cứng sẽ va chạm với nhau và phá vỡ vật liệu bột tới kích
thước nano, kết quả là ta thu được vật liệu nano không chiều (hạt nano).
 Phương pháp từ dưới lên hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc từ
các ion. Phương pháp này được hình thành và phát triển rất mạnh mẽ nhờ tính

linh động của phương pháp, và chất lượng của sản phẩm thu được có nhiều ưu
điểm hơn so với các phương pháp khác. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta
dùng ngày nay như bình sữa nano, máy giặt, máy điều hịa, màn hình LCD, hay
tủ lạnh đều được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể
dùng phương pháp vật lý, hóa học hay là sự kết hợp cả hai phương pháp hóa-lý.
Các hạt nano kim loại như vàng, bạc, bạch kim,... được chế tạo chủ yếu theo
kiểu “từ dưới lên” theo nguyên tắc các ion kim loại như Ag+, Au +, Pt+ bị khử thành
dạng nguyên tử Ago và Auo, Pto…. Các nguyên tử này sẽ liên kết với nhau tạo thành
tụ hợp nhỏ rồi phát triển thành hạt nano [8].
1.2.2.1. Phương pháp ăn mòn laser
Đây là phương pháp từ trên xuống . Vật liệu ban đầu là một tấm kim loại được
đặt trong một dung dịch có chứa một chất hoạt hóa bề mặt. Một chùm Laser xung
có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns, tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là
90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm
laser xung, các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao
phủ bởi chất hoạt hóa bề mặt CnH2n+1SO4Na với n = 8, 10, 12, 14 với nồng độ từ
0,001 đến 0,1 M [5].


12

1.2.2.2. Phương pháp khử hóa học
Phương pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại
thành kim loại. Thơng thường các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn
gọi là phương pháp hóa ướt. Đây là phương pháp từ dưới lên. Dung dịch ban đầu có
chứa các muối của các kim loại như HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3... Tác nhân khử ion
kim loại Ag+, Au + thành Ag0, Au 0 ở đây là các chất hóa học như citric acid, vitamin
C, sodium borohydride NaBH4, ethanol (cồn), ethylene glycol (phương pháp sử
dụng các nhóm rượu đa chức như thế này cịn có một cái tên khác là phương pháp
polyol) [19]. Để các hạt phân tán tốt trong dung môi mà không bị kết tụ thành đám,

người ta sử dụng phương pháp tĩnh điện để làm cho bề mặt các hạt nano có cùng
điện tích và đẩy nhau hoặc dùng phương pháp bao bọc chất hoạt hóa bề mặt.
Phương pháp tĩnh điện đơn giản nhưng bị giới hạn bởi một số chất khử. Phương
pháp bao phủ phức tạp nhưng vạn năng hơn, hơn nữa phương pháp này có thể làm
cho bề mặt hạt nano có các tính chất cần thiết cho các ứng dụng. Các hạt nano Ag,
Au, Pt, Pd, Rh… với kích thước từ 10 đến 100 nm có thể được chế tạo từ phương
pháp này [32].
1.2.2.3. Phương pháp khử vật lí
Là phương pháp dùng các tác nhân vật lí như điện tử, sóng điện từ năng lượng
cao như tia gamma, tia tử ngoại, tia laser khử ion kim loại thành kim loại. Dưới tác
dụng của các tác nhân vật lí, có nhiều q trình biến đổi của dung mơi và các phụ
gia trong dung mơi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion thành kim loại.
Ví dụ như người ta dùng chùm laser xung có bước sóng 500 nm, độ dài xung 6ns,
tần số 10 Hz, công suất 12-14 mJ chiếu vào dung dịch có chứa AgNO3 như là nguồn
ion kim loại và sodium dodecyl sulfat (SDS) như là chất hoạt hóa bề mặt để thu
được hạt nano bạc [7], [18], [24].