NANO BẠC ( AgNPs) & ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC NÔNG NGHIỆP – THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT

Các hạt nano bạc – Nanosilver particles (NSPs hay AgNPs), là một trong những loại vật liệu nano hấp dẫn nhất và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế sức khỏe, nông nghiệp và nuôi trồng thủy hải sản.

Việc nano Ag được áp dụng ngày càng nhiều trong lĩnh nông nghiệp, đặc biệt là thuốc bảo vệ thực vật, khiến việc hiểu rõ hơn về nano bạc cũng như cơ chế phản ứng sinh học và độc tính tiềm ẩn của chúng ngày càng trở nên cần thiết. 

1. Nano bạc ( AgNPs) là gì?
2. Nano bạc ( AgNPs) được tổng hợp như thế nào?
3. Đặc tính nổi bật của nano bạc
4. Ứng dụng của nano bạc trong lĩnh vực y tế – sức khỏe

NANO BẠC (AgNPs) LÀ GÌ?

Nano bạc (AgNPs) là dạng tồn tại của kim loại bạc ở kích thước nano. Nano bạc có kích thước nhỏ đến mức mà mắt thường không thể nhìn thấy được, nhưng so với kim loại bạc thì các hạt nano bạc này có tỉ lệ diện tích bề mặt lớn hơn hàng triệu lần. Do đó, các tính chất đặc hiệu của Ag, bao gồm đặc tính vật lý, hóa học và sinh học cũng vì thế được tăng lên đáng kể.

Kích thước phổ biến của các phân tử Nano Bạc nằm trong khoảng từ 10-100 nm.

Nano bạc (AgNPs) đã trở thành một trong những vật liệu nano được ứng dụng trong việc chăm sóc sức khỏe con người từ hàng trăm năm nay. Gần đây, việc ứng dụng nano bạc trong lĩnh vực y sinh được quan tâm hơn bao giờ hết, bởi vì khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus, và cả kháng viêm của nó.

TỔNG HỢP NANO BẠC ( AgNPs) NHƯ THẾ NÀO?

Phương pháp tổng hợp nano bạc khác nhau sẽ dẫn đến sự khác biệt về kích thước, hình dạng và độ ổn định của thành phẩm nano bạc. Nhìn chung, có thể phân thành 3 phương pháp chính: tổng hợp vật lí, tổng hợp hóa học và tổng hợp sinh học.

1. Tổng hợp vật lý

Hóa hơi/ ngưng tụ và ăn mòn bằng laser là những kỹ thuật được sử dụng để tạo nano bạc từ các mẫu kim loại.

Kỹ thuật ăn mòn bằng tia laser sử dụng tia laser cắt bỏ/ làm mòn kim loại trong dung dịch mà không cần thuốc thử hóa học, giúp thu được nano bạc tinh khiết. Cường độ và số chùm tia laser sẽ ảnh hưởng đến nồng độ và hình thái (morphology) của hạt nano bạc được tạo thành. Thời gian càng lâu và cường độ laser càng cao thì kích thước hạt càng lớn và nồng độ càng cao. Hạt nano bạc thu được thường có kích thước khoảng 10nm. 

2. Tổng hợp hóa học 

Phương pháp đồng giảm (Chemical reduction) là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp nano bạc AgNPs, quá trình này cần sử dụng muối bạc, chất khử và chất ổn định (đóng vai trò như chất kiểm soát sự hình thành các hạt nano bạc).

Trong đó, muối bạc nitrat (AgNO₃) là muối bạc được chọn dùng để tổng hợp nano bạc, vì chi phí thấp và đặc tính hóa học ổn định hơn so với các loại muối khác trên thị trường. Chất khử có thể là borohydride, citrate, ascorbate và khí hydro. Trong đó, borohydride là một chất khử mạnh, dễ dàng tổng hợp nên các hạt nano có kích thước nhỏ với tốc độ khử nhanh. Phương pháp này khó thu được nano bạc – AgNPs nồng độ cao bởi vì tính không ổn định của quá trình tổng hợp ( aggregate instability). Còn chất ổn định được dùng các chất hoạt động bề mặt (surfactants) và các phối tử (ligand) hoặc polymers chứa các nhóm chức như polyvinylpyrrolidone, poly(ethylene glycol), poly(methacrylic acid), poly(methyl methacrylate),… Phương pháp này tạo ra các hạt nano bạc có kích thước phân bổ khoảng từ 10 -100nm.

3. Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh tổng hợp (Biosynthesis) hay còn gọi là tổng hợp xanh – green synthesis để tổng hợp nano bạc AgNPs được quan tâm ngày càng nhiều vì tính chất thân thiện với môi trường, khi sử dụng các chất khử và chất bao phủ (capping) như protein, peptides, carbohydrate, các loài vi khuẩn, nấm, nấm men tảo và thực vật.

Cơ chế của quá trình tổng hợp bằng phương pháp sinh học này bao gồm quá trình khử bằng enzyme và không dùng enzyme. Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate ( NADP+ – ở dạng oxy hóa) có thể tổng hợp nano bạc – AgNPs bằng cách khử enzyme. Đối với quá trình khử bạc không dùng enzyme, tác nhân khử và ổn định là vi sinh vật hoặc thực vật. Quá trình này diễn ra nhanh, trong vài phút và có thể kiểm soát nhiệt độ, pH nhằm tăng tốc quá trình tổng hợp nano bạc.

Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp khác là quá trình tổng hợp xanh, tránh sử dụng các dung môi hữu cơ (organic solvents) và thuốc thử độc hại ( toxic reagents). Tuy nhiên, cần lưu ý khi áp dụng phương pháp này khi tổng hợp nano bạc, vì quá trình điều chế có thể làm lây lan vi khuẩn gây bệnh, cần thận trọng khi ứng dụng trong lĩnh vực y tế.

ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA NANO BẠC (AgNPs)

1. Đặc tính kháng khuẩn – Antibacterial properties

Nano bạc (AgNPs) thể hiện tính chất kháng khuẩn mạnh là do sự thừa hưởng tính chất kháng khuẩn của nguyên tố Bạc và có diện tích hoạt động bề mặt cực lớn.

Nano Ag có tác dụng kháng khuẩn mạnh mẽ  đối với các loại vi khuẩn gây bệnh cao như vi khuẩn Gram âm (E. coli), Gram dương (S. aureus) và các chủng vi khuẩn kháng chất kháng sinh (antibiotic-resistant). Hiệu quả kháng khuẩn của nano bạc phụ thuộc vào kích thước hạt và nồng độ của chúng. Thông thường, ở nồng độ cao, Nano bạc hoạt động kháng khuẩn hiệu quả hơn nồng độ thấp. Với các hạt Nano bạc có kích thước nhỏ, Nano bạc sẽ dễ tiêu diệt các loại vi khuẩn hơn. 

Về cơ bản, có thể hiểu rằng: Nano bạc – AgNPs có thể thể bám vào thành tế bào vi khuẩn và sau đó thâm nhập vào trong, gây ra sự thay đổi cấu trúc của màng tế bào và tăng tính thẩm thấu của tế bào, dẫn đến chết tế bào (Hình 6).

Sự hình thành các gốc tự do ( free radical) và gây ra tổn thương màng là một cơ chế khác của nano bạc. Ngoài ra, các hạt nano bạc – AgNPs còn có khả năng giải phóng phóng các ion bạc và tương tác với các enzyme quan trọng của vi khuẩn, các base chứa phospho, thông qua đó ức chế một số chức năng của tế bào vi khuẩn, ví dụ như làm ngăn cản quá trình phân chia tế bào hay sao chép DNA (Hình 6).

2. Đặc tính kháng nấm – Antifungal properties

Bên cạnh đặc tính kháng khuẩn, nano bạc (AgNPs) còn được biết đến với ứng dụng chống nấm hiệu quả, có khả năng ứng chế sự phát triển nhiều loại nấm, ví dụ như: Candida albicans, Candida glabrata, Candida parapsilosis, Candida krusei, and Trichophyton mentagrophytes. Nano bạc có khả năng phá vỡ màng tế bào và ức chế quá trình phát triển, nảy chồi của nấm. Cũng nhờ đặc tính này mà nano bạc được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nông nghiệp – thuốc bảo vệ thực vật.

3. Đặc tính kháng virus –  Antiviral properties

Nano bạc đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chứng minh, là một chất có khả năng chống virus HIV- 1, virus viêm gan B, virus hợp bào hô hấp, virus herpes simplex, virus đậu mùa. Các nhà khoa học đã phát hiện rằng, nano bạc có khả năng kháng virus tốt hơn nhiều so với muối bạc vì nano ag có thể giải phóng cả nguyên tử bạc – Ag0 (atomic) và cả ion Ag+ (ionic), trong khi muối bạc chỉ giải phóng ion Ag+.

4. Đặc tính kháng viêm – Anti-inflammatory properties

Bên cạnh ba đặc tính nổi bật kể trên, nano ag còn được biết đến với vai trò kháng viêm, trên cả người (nghiên cứu lâm sàng) và động vật. Trong nghiên cứu lâm sàng trên cơ thể người, nano bạc chứa trong băng vết thương đã giúp thúc đẩy quá trình làm lành vết thương, vết loét mãn tính (chronic leg ulcers), không những thế còn giúp làm giảm lượng vi khuẩn xung quanh vết thương và giảm nguy cơ viêm nhiễm.

ỨNG DỤNG CỦA NANO BẠC (AgNPs) TRONG NÔNG NGHIỆP

Cơ chế kháng khuẩn của Nano Bạc trong việc kiểm soát sự phát triển của mầm bệnh trên cây trồng

Các hạt nano bạc (AgNPs) có khả năng bám vào thành tế bào vi khuẩn và thâm nhập vào bên trong, gây ra những biến đổi cấu trúc trong màng tế bào vi khuẩn như làm thay đổi tính thấm của màng tế bào vi khuẩn và làm chết tế bào.

Bên cạnh đó, sẽ hình thành các “hố” trên tế bào và dẫn đến tích tụ các hạt nano trên bề mặt tế bào. Sự hình thành các gốc tự do bởi các hạt nano bạc có thể được coi là một cơ chế khác khiến tế bào vi khuẩn chết đi. Các nghiên cứu khoa học đã cho thấy rằng có sự hình thành các gốc tự do khi Nano bạc tiếp xúc với vi khuẩn và các gốc tự do này làm cho màng tế bảo trở nên rỗng xốp và cuối cùng dẫn đến chết tế bào.

Các nhà nghiên cứu cũng cho rằng: đã có sự giải phóng các ion Ag+ trong quá trình nano ag ức chế mầm bệnh trên cây, các ion này có đặc tính tương tác với nhóm -SH của nhiều enzyme quan trọng trong tế bào và bất hoạt chúng. Khi tế bào vi khuẩn tiếp xúc với các ion bạc, do enzyme đã bị bất hoạt dẫn đến nhiều chức năng bị ức chế và dẫn đến làm hỏng tế bào, hình thành các nhóm oxy phản ứng – Reactive oxygen species (ROS)* tấn công ngược lại các tế bào của vi khuẩn.

*Reactive oxygen species (ROS): là các hóa chất có tính phản ứng cao được hình thành từ O₂. Ví dụ như peroxit, superoxit, gốc hydroxyl, oxy đơn và oxy alpha.

Ứng dụng cơ bản của Nano Bạc (AgNPs) trong lĩnh vực nông nghiệp – BVTV

• Nano bạc có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, diệt virus, chống nấm, khử mùi hiệu quả: Nano Bạc được biết đến với công dụng giúp trừ sạch bệnh: xoắn đọt, quăn lá, héo xanh, héo rũ vi khuẩn, đặc trị nấm Phytopthora, Fusarium, trị nấm quả, nấm hồng, rỉ sắt, phấn trắng, đốm dầu vi khuẩn cứng trái, loét trái, thối quả, cháy bạc lá, chống bệnh tiêu điên, lở cổ rễ, …
• Nano bạc không cho vi khuẩn có cơ hội tạo ra tính kháng thuốc. Do đó AgNPs có thể sử dụng thường xuyên lâu dài mà không phải thay thế các chế phẩm (thuốc) diệt khuẩn khác.
• Nano bạc không có hại cho sức khỏe con người với liều lượng cho phép, không có phụ gia hóa chất, không gây tồn dư các chất hóa học độc hại trên nông sản sau thu hoạch.
• Có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau như nước, benzen hay toluen.
• Độ bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới các tác nhân oxy hóa khử thông thường của môi trường. Thời hạn sử dụng (bảo quản) của nano bạc tương đối dài từ 2-3 năm.
• Đảm bảo hiệu quả khi sử dụng vì nano bạc có kích thước vô cùng nhỏ nên khi phun qua lá, các hạt nano bạc dễ dàng bám dính trên các kẽ lá, giúp dễ thẩm thấu vào tế bào lá.

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH KÍCH THƯỚC HẠT

Hiện nay, dưới sự phát triển vượt bật của khoa học – công nghệ mà các thông tin về kích thước hạt nano có thể được phân tích, kiểm tra, đánh giá bằng nhiều phương pháp, kỹ thuật khác nhau. Dưới đây, chúng tôi liệt kê sáu phương pháp giúp đánh giá ở mức độ cấp độ tổng thể – ensamble level (E) hoặc ở cấp độ hạt nano đơn lẻ – single nano partical level (SP): :

1. Tán xạ ánh sáng động – Dynamic light scattering (E)
2. Ly tâm đĩa – Disc centrifugation (E)
3. Phân tích theo dõi hạt nano – Nanoparticle tracking analysis  (SP)
4. Cảm biến xung điện trở có thể điều chỉnh được – Tunable Resistive Pulse Sensing (SP)
5. Kính hiển vi lực nguyên tử – Atomic force microscopy(SP)
6. Kính hiển vi điện tử – Electron microscopy (SP)

Như đã đề cập ở trên, kích thước phổ biến của các phân tử Nano bạc (AgNPs) nằm trong khoảng từ 10-100 nm. Máy phân tích HORIBA sở hữu khả năng đo kích thước hạt ở một phạm vi rất rộng từ dưới 1 nm đến 30 mm, ở nồng độ từ 1 ppm đến 50 vol% với khả năng xác định hình dạng bắt đầu từ 1 µm. Các mẫu có thể từ bột khô đến dạng huyền phù.

Với dòng máy phân tích kích thước hạt HORIBA SZ-100Z2 có thể đo kích thước hạt trong phạm vi từ 0.3 nm – 10 µm (=10 000 nm). Dòng máy phân tích HORIBA LA-960 V2 sở hữu phạm vi phân tích rộng hơn: từ 10 nm – 3000 µm ( đo ướt) và 5000 µm ( đo khô).
Các dòng máy này sở hữu nhiều tính năng nổi bật, có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, đồ uống, dược phẩm, nông nghiệp.

References:

1. Nomita Gupta, Chandrama Prakash Upadhyaya, Amar Singh, Kamel A. Abd-Elsalam, and Ram Prasad (2018). Applications of Silver Nanoparticles in Plant Protection. Nanobiotechnology Applications in Plant Protection. DOI: 10.1007/978-3-319-91161-8_9
2. Liangpeng Ge, Qingtao Li, Meng Wang, Jun Ouyang, Xiaojian Li, and Malcolm MQ Xing. (2014). Nanosilver particles in medical applications: synthesis, performance, and toxicity. Int. J. Nanomedicine, p. 2399—2407. doi: 10.2147/IJN.S55015
3. A. Burdușel, Oana Gherasim, Alexandru Mihai Grumezescu, Laurențiu Mogoantă, Anton Ficai, and Ecaterina Andronescu (2018). Biomedical Applications of Silver Nanoparticles: An Up-to-Date Overview. Nanomaterials (Basel). doi:10.3390/nano8090681.