SILMAT® 15000 – Nguyên liệu Nano Bạc 15.000 ppm

SILMAT® 15000 là nguyên liệu nano bạc (silver nanoparticles) với nồng độ Ag 15.000 ppm do NANO NNA phát triển. Sản phẩm được sử dụng như một chất diệt khuẩn, nấm, virus trong công nghiệp và nông nghiệp. Nguyên liệu được sản xuất bằng phương pháp xanh và được xem là an toàn đối với người và động vật.

Nano bạc là gì?

Nano bạc (nano silver) hay còn có tên gọi khác là Keo bạc (colloidal silver) là những hạt bạc có kích thước từ 1-100 nanomet. Sở dĩ nano bạc được tạo ra bởi các nhà khoa học nhận thấy rằng bạc có khả năng diệt khuẩn tự nhiên và nếu diện tích tiếp xúc của bạc lớn hơn thì khả năng diệt khuẩn cao hơn.

Thông thường, các hạt nano bạc được điều chế theo phương pháp hóa học sử dụng muối bạc tinh khiết làm chất gốc. Qua các quá trình phản ứng sẽ tạo ra bạc kim loại Ag^o, do ở kích thước nano các phân tử kim loại không bền và có xu hướng dính lại làm bạc bị tụ (giảm khả năng diệt khuẩn) nên khi sản xuất chất bảo vệ sẽ được thêm vào ngăn chúng dính lại với nhau.

Nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy khả năng diệt khuẩn, virus của nano bạc lên hơn 650 chủng vi khuẩn, virus khác nhau.

Ứng dụng nguyên liệu nano bạc

• Dược phẩm (nước súc miệng, rửa mũi, xịt họng, xịt khử mùi cơ thể, nước rửa phụ khoa… từ nguyên liệu nano bạc)
• Hóa mỹ phẩm (Kem, sữa rửa mặt, nước xả vải…chứa nano bạc)
• Chăn nuôi (Nano bạc giảm thiểu kháng sinh trong phòng bệnh chăn nuôi)
• Thủy sản (Tạt và cho ăn nano bạc giảm thiểu kháng sinh giúp phòng bệnh thủy sản đặc biệt là tôm, cá, ốc, ếch, lươn… )
• Nông nghiệp (Sản xuất các chế phẩm phòng bệnh trên cây trồng)
• Cao su (Latex kháng khuẩn)
• Than hoạt tính kháng khuẩn
• Xử lý môi trường
• Chất xúc tác phản ứng
• Sơn nano bạc kháng khuẩn
• Vải nano bạc kháng khuẩn

Nhờ vào 3 cơ chế chính sau mà hạt nano bạc có thể diệt khuẩn phổ rộng

Cơ chế diệt khuẩn vật lý đầu tiên của nano bạc dựa trên sự chênh lệch kích thước. Hạt nano bạc (AgNPs) chỉ vài đến vài chục nanomet, trong khi tế bào vi khuẩn có kích thước khoảng 1–2 micromet. Khi phân tán trong môi trường, các hạt bạc liên tục va chạm và bám lên bề mặt vi khuẩn, đâm xuyên qua thành tế bào và màng sinh chất. Các lỗ thủng làm tế bào chất rò rỉ ra ngoài, vi khuẩn mất khả năng duy trì áp suất thẩm thấu, vỡ tế bào và chết. Đây là cơ chế tác động nhanh và không phụ thuộc vào phản ứng hóa học.

Môi trường xung quanh vi khuẩn thường có tính axit nhẹ do sản phẩm trao đổi chất. Trong điều kiện này, bạc kim loại trên bề mặt hạt nano bị oxy hóa và giải phóng ion bạc (Ag⁺). Ion Ag⁺ mang điện tích dương nên có ái lực mạnh với các nhóm chức mang điện tích âm trên màng tế bào vi khuẩn, đặc biệt là nhóm thiol (–SH) trong protein và nhóm carboxyl (–COOH). Liên kết này làm thay đổi cấu trúc protein màng, phá vỡ tính thấm chọn lọc và các enzyme vận chuyển trên màng, dẫn đến vi khuẩn bị bất hoạt và chết.

Để sinh trưởng, vi khuẩn liên tục hấp thu chất dinh dưỡng từ môi trường qua các kênh và lỗ trên màng. Nhờ kích thước siêu nhỏ, hạt nano bạc có thể theo con đường này đi vào bên trong tế bào. Môi trường nội bào có tính axit tiếp tục chuyển nano bạc thành ion Ag⁺. Tại đây, ion bạc tấn công các thành phần sống còn: làm biến tính ribosome khiến quá trình tổng hợp protein bị gián đoạn, ức chế các enzyme của chuỗi hô hấp làm giảm sản xuất năng lượng ATP, và liên kết với DNA cản trở quá trình nhân đôi. Vi khuẩn rối loạn chuyển hóa, mất khả năng sinh sản và chết từ bên trong.

Phương pháp tổng hợp nano bạc

1. 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 tối ưu. 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),….

2. Phương pháp 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 d.ược 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 K_sp = [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 nguyên liệu

• 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 → Ag_micro

• 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 100^oC, tốc độ phản ứng tăng khoảng 3640 lần.

• Tiến hành đun mẫu ở nhiệt độ 130^oC 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 30^oC trong khoảng gần 10 năm(1×3640).
• Điều này đúng với trường hợp E_a thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ khảo sát.