NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO VÀNG TỪ DUNG DỊCH HAuCl4 VỚI DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ LÔ HỘI VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT

LUẬN VĂN SIÊU CẤP CHANNEL

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO VÀNG TỪ DUNG DỊCH HAuCl4 VỚI DỊCH CHIẾT NƯỚC LÁ LÔ HỘI VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG KHUẨN (2018) WORD VERSION | 2018 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

ĐỖ THỊ HIỀN TRANG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO VÀNG TỪ DUNG DỊCH HAuCl4 VỚI DỊCH CHIẾT NƢỚC LÁ LÔ HỘI VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG KHUẨN

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

ĐÀ NẴNG, NĂM 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

ĐỖ THỊ HIỀN TRANG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANO VÀNG TỪ DUNG DỊCH HAuCl4 VỚI DỊCH CHIẾT NƢỚC LÁ LÔ HỘI VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KHÁNG KHUẨN Chuyên ngành : HÓA HỮU CƠ Mã số : 8 44 01 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ TỰ HẢI

ĐÀ NẴNG, NĂM 2018

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Đỗ Thị Hiền Trang

LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đên PGS. TS Lê Tự Hải đã tận tình hỗ trợ, giúp đỡ và hướng dẫn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

Xin cảm ơn quý thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học cao học giúp tôi trang bị những cần thiết kiến thức góp phần hoàn thành quá trình nghiên cứu của mình.

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Hóa trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cho tôi trong suốt quá trình tiến hành thí nghiệm.

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến các bạn học viên cao học Hóa Hữu cơ khóa 33 đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, ủng hộ giúp tôi hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù tôi đã rất cố gắng nhưng do điều kiện công tác, gia đình đồng thời kinh nghiệm nghiên cứu còn nhiều hạn chế, nên luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý chân thành từ quý thầy cô giáo. Đỗ Thị Hiền Trang

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................1 3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................. 1 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 2 5. Bố cục của luận văn ............................................................................................ 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3 1.1. VẬT LIỆU NANO ....................................................................................................3 1.1.1. Khái niệm vật liệu nano ...............................................................................3 1.1.2. Tính chất đặc biệt của vật liệu nano ............................................................ 3 1.1.3. Phân loại vật liệu nano .................................................................................4 1.2. HẠT NANO KIM LOẠI ..........................................................................................5 1.2.1. Nguồn gốc lịch sử ........................................................................................5 1.2.2. Tính chất của hạt nano kim loại ...................................................................6 1.3. TỔNG HỢP NANO KIM LOẠI...............................................................................7 1.3.1. Phƣơng pháp từ trên xuống ..........................................................................7 1.3.2. Phƣơng pháp từ dƣới lên..............................................................................8 1.4. XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG CỦA CÁC HẠT NANO KIM LOẠI .........................10 1.5. TỔNG HỢP NANO KIM LOẠI BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC (SINH TỔNG HỢP NANO KIM LOẠI ...................................................................................12 1.5.1. Nguyên liệu trong phƣơng pháp sinh tổng hợp .........................................12

1.5.2. Các bƣớc của quá trình sinh tổng hợp .......................................................12 1.5.3. Nguyên tắc của quá trình sinh tổng hợp ....................................................12 1.5.4. Ƣu điểm của quá trình sinh tổng hợp ........................................................12 1.5.5. Chất khử sinh học ......................................................................................13 1.5.6. Ƣu điểm của việc sử dụng thực vật để điều chế nano kim loại .................15 1.6. ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO KIM LOẠI ........................................................16 1.7. VẬT LIỆU VÀNG NANO .....................................................................................17 1.7.1. Giới thiệu về kim loại vàng .......................................................................17 1.7.2. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt (SPR) ........................................18 1.7.3. Ảnh hƣởng của hình dạng hạt nano vàng lên đặc tính quang học .............19 1.7.4. Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt nano .......................................................... 20 1.7.5. Ảnh hƣởng của sự kết tụ ............................................................................21 1.7.6. Một số phƣơng pháp tổng hợp nano vàng .................................................22 1.7.7. Các ứng dụng nổi bật của nano vàng .........................................................26 1.8. CÂY LÔ HỘI ..........................................................................................................28 1.8.1. Giới thiệu về cây lô hội ..............................................................................28 1.8.2. Nguồn gốc lịch sử ......................................................................................28 1.8.3. Thành phần hóa học ...................................................................................28 1.9. KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA NANO VÀNG ..........................................29 1.9.1. Vi khuẩn E. coli .........................................................................................29 1.9.2. Ứng dụng kháng khuẩn của vàng nano......................................................30 CHƢƠNG 2. NGUYÊN LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.31 2.1. Nguyên liệu, dụng cụ và hóa chất ...........................................................................31 2.1.1. Nguyên liệu ................................................................................................ 31 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất .....................................................................31 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...................................................................................32 2.2.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chiết cây lô hội ..................32 2.2.2. Xác định thành phần các chất trong dịch chiết nƣớc lá lô hội ...................33 2.2.3. Xác định thành phần hóa học trong dịch chiết lá lô hội với dung môi etanol ......35 2.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo nano vàng ....................35

2.2.5. Xác định đặc trƣng của nano vàng............................................................. 36 2.2.6. Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo nano vàng ............40 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 41 3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ LÔ HỘI .......................................................................................................41 3.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ khối lƣợng lô hội với thể tích nƣớc cất .............41 3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian chiết .....................................................42 3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CÁC CHẤT HỮU CƠ CÓ TRONG DỊCH CHIẾT NƢỚC LÁ LÔ HỘI THEO PHƢƠNG PHÁP GC-MS.........................44 3.3. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CÁC CHẤT HỮU CƠ CÓ TRONG DỊCH CHIẾT LÁ LÔ HỘI VỚI DUNG MÔI ETANOL THEO PHƢƠNG PHÁP GC-MS...........46 3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NANO VÀNG ................................................................................................ 48 3.4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích dịch chiết lô hội với thể tích dung dịch HAuCl4 ...............................................................................................................48 3.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng lên quá trình điều chế nano vàng

...............................................................................................................50 3.4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HAuCl4 .................................................52 3.4.4. Khảo sát ảnh hƣởng của pH dung dịch ......................................................54

3.5. ĐẶC TRƢNG HẠT NANO VÀNG ĐÃ TỔNG HỢP ...........................................56 3.5.1. Kết quả đo HR-TEM..................................................................................56 3.5.2. Kết quả đo EDX .........................................................................................57 3.5.3. Kết quả phân tích XRD ..............................................................................57 3.6. KẾT QUẢ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA DUNG DỊCH KEO NANO VÀNG ......................................................................................................58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 61 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AuNP

Nano vàng (Au nanoparticles)

E. coli

Vi khuẩn Escherichia coli

EDX

Phổ tán sắc năng lƣợng tia X

FCC

Mạng tinh thể lập phƣơng tâm mặt (Face-centered cubic)

FTIR

Quang phổ hồng ngoại (Fourier-transform infrared spectroscopy)

GC-MS

Sắc kí khí ghép khối phổ (Gas Chromatography Mass Spectometry)

GNP

Nano vàng dạng cầu (gold nanoparticles)

GNR

Nano vàng dạng que (gold nanorods)

MNP

Nano kim loại (Metal nanoparticles)

SPR

Cộng hƣởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance)

TEM

Kính Hiển vi điển tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy)

UV-Vis

Quang phổ tử ngoại khả kiến (Ultraviolet–visible spectroscopy)

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu

Tên bảng

bảng 2.1.

3.1.

3.2.

Các hóa chất đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đề tài Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị khối lƣợng lô hội khác nhau Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các thời

Trang 31 42

43

gian chiết khác nhau 3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

3.7.

3.8.

Thành phần các chất hữu cơ đƣợc định danh trong dung môi nhexan Thành phần các chất hữu cơ trong dung môi cloroform Thành phần các chất hữu cơ đƣợc định danh trong dung môi etylaxetat Các chất hữu cơ đƣợc định danh trong dịch chiết với dung môi etanol Các chất hữu cơ có thể tham gia vào quá trình tạo dung dịch AuNP Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá

45 45 45

46

46

49

trị thể tích dịch chiết 3.9.

3.10.

3.11.

Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị nhiệt độ khác nhau Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị nồng độ HAuCl4 khác nhau Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị pH khác nhau

51

53

55

DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu

Tên hình

hình 1.1.

1.2.

Các phƣơng pháp tổng hợp nano kim loại Minh họa cơ chế của phƣơng pháp từ dƣới lên trong điều chế nano kim loại

Trang 9 10

1.3.

Tổng hợp nano kim loại từ dịch chiết thực vật

15

1.4.

Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt của tinh thể vàng

17

1.5.

Màu sắc khác nhau của dung dịch nano vàng tuỳ thuộc kích thƣớc hạt

18

1.6.

Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt của vàng

18

1.7.

Phổ UV – Vis của vàng nano dạng cầu

19

1.8.

Phổ UV-Vis của vàng nano dạng thanh

20

1.9.

1.10.

Phổ UV-Vis của các hạt nano vàng hình cầu có đƣờng kính từ 10nm tới 100nm Phổ UV-Vis của dung dịch nano vàng không bị kết tụ và bị kết tụ

21

22

1.11.

Sơ đồ phƣơng pháp Turkevich

23

1.12.

Sơ đồ phƣơng pháp Brust

24

1.13.

Sơ đồ phƣơng pháp Martin

24

1.14.

Sơ đồ phƣơng pháp phát triển hạt

26

1.15.

Vi khuẩn E. Coli

29

1.16.

Khả năng kháng khuẩn của vàng nano

30

2.1.

Qui trình thu dịch chiết nƣớc lá lô hội

32

2.2.

Qui trình điều chế dung dịch keo nano vàng

32

2.3.

Qui trình chiết với các dung môi hexan, cloroform, etylaxetat

34

2.4.

Qui trình chiết cây lô hội với dung môi etanol

35

Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

2.5.

Nguyên lí hoạt động của phƣơng pháp đo TEM

38

2.6.

Các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn

39

2.7.

Nguyên tắc tán xạ tia X dùng trong phổ EDX

40

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

3.7.

3.8.

Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các khối lƣợng lô hội khác nhau Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các thời gian chiết khác nhau Cơ chế tạo nano vàng của Rabelomycin Sự thay đổi màu của các dung dịch khi có sự tạo thành nano vàng Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các thể tích dịch chiết khác nhau Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các nhiệt độ khác nhau Phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các nồng độ HAuCl4 khác nhau Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị pH khác nhau

41

43 48 48

49

51

53

55

3.9.

Ảnh HR-TEM của hạt nano vàng

56

3.10.

Phổ EDX của mẫu nano vàng

57

3.11.

Phổ XRD của mẫu nano vàng

58

3.12.

Đĩa Petri khi bắt đầu nuôi cấy vi khuẩn.

58

3.13.

Kết quả thử tính kháng khuẩn của ba mẫu dung dịch

59

1

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu nano có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực Vật lí, Hóa học, Sinh học và Y học. Việc nghiên cứu về các vật liệu nano tổng hợp và đặc tính của chúng là một trong những lĩnh vực của công nghệ nano đang nổi lên từ hai thập kỉ qua. Trong các loại cấu trúc nano, cấu trúc nano kim loại có những tính chất ƣu việt nên thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Trong số các nano kim loai, phải kể đến nano vàng vì những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ xúc tác, điện hóa, chẩn đoán và điều trị ung thƣ. Ngày nay, nano vàng cũng đã đƣợc nghiên cứu vào mục đích ức chế sự phát triển của vi khuẩn.

Có rất nhiều kỹ thuật để tổng hợp nano kim loại nói chung, nano vàng nói riêng.

Tuy nhiên hầu hết các phƣơng pháp rất tốn kém, sử dụng hóa chất độc hại, gây ảnh hƣởng xấu tới môi trƣờng. Do đó, phƣơng pháp xanh – phƣơng pháp tổng hợp từ dịch chiết thực vật đang chiếm ƣu thế hơn cả vì nó ít tốn chi phí, đơn giản, không dùng hóa chất độc hại nên thân thiện với môi trƣờng và an toàn cho ngƣời sử dụng.

Cây lô hội, tên khoa học là Aloe vera, loại cây mọc quanh năm, có tính thích nghi tốt, dễ trồng. Từ lâu ngƣời ta đã dùng nó để làm thuốc và thực phẩm. Đã có nhiều nghiên cứu cho thấy trong loại cây này có chƣa nhiều chất hữu cơ có tính khử nên dịch chiết của chúng có thể đƣợc dùng để điều chế nano kim loại vàng từ hợp chất HauCl4.

Trên đây là những lí do tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế nano vàng từ dung dịch HAuCl4 bằng dịch chiết nước lá lô hội và ứng dụng làm chất kháng khuẩn”.

2. Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp nano vàng và khảo sát tính kháng khuẩn của nó 3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu 3.1. Đối tượng Cây lô hội đƣợc trồng tại thành phố Đà Nẵng.

2

3.2. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết - Thu thập các thông tin tài liệu liên quan đến đề tài.

- Xử lý các thông tin về lý thuyết để đƣa ra các vấn đề cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm.

Nghiên cứu thực nghiệm - Phƣơng pháp chiết tách: phƣơng pháp chƣng ninh sử dụng dung môi là nƣớc.

- Phƣơng pháp phân tích công cụ: phƣơng pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UVVis), phƣơng pháp sắc kí khí ghép khổi phổ (GC-MS) - Phƣơng pháp đo TEM, XRD, EDX. - Phƣơng pháp thử tính kháng khuẩn bằng vòng tròn kháng khuẩn tạo ra trên điã petri.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Tận dụng nguồn nguyên liệu phong phú, rẻ tiền để tổng hợp hạt nano vàng bằng phƣơng pháp hóa học xanh.

- Ứng dụng nano vàng làm chất kháng khuẩn.

5. Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu (2 trang), kết luận và kiến nghị (1 trang) và 43 tài liệu tham khảo, luận văn gồm có 12 bảng, 36 hình và 3 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1 – Tổng quan Chƣơng 2 – Nguyên liệu và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3 – Kết quả và thảo luận

3

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1. VẬT LIỆU NANO 1.1.1. Khái niệm vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thƣớc nano mét. Đây là đối tƣợng nghiên cứu của khoa học nano. Tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào kích thƣớc của chúng, cỡ nanomet đạt tới kích thƣớc tới hạn của nhiều tính chất lý hóa của vật liệu thông thƣờng. Vật liệu nano có kích thƣớc trải một khoảng từ vài nanomet đến vài trăm nanomet tùy thuộc vào phƣơng pháp chế tạo và ứng dụng của chúng. [5] 1.1.2. Tính chất đặc biệt của vật liệu nano a. Hiệu ứng kích thước Hiệu ứng kích thƣớc của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trƣng. Độ dài đặc trƣng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thƣớc nm. Chính điều này đã làm nên cái tên "vật liệu nano" mà ta thƣờng nghe đến ngày nay. Ở vật liệu khối, kích thƣớc vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trƣng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhƣng khi kích thƣớc của vật liệu có thể so sánh đƣợc với độ dài đặc trƣng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trƣng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trƣớc đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. Cùng một vật liệu, cùng một kích thƣớc, khi xem xét tính chất này thì thấy khác lạ sơ với vật liệu khối nhƣng cũng có thể xem xét tính chất khác thì lại không có gì khác biệt cả. Tuy nhiên, hiệu ứng bề mặt luôn luôn thể hiện dù ở bất cứ kích thƣớc nào. [7] b. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thƣớc nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Ví dụ, xét vật liệu tạo thành từ các hạt nano hình cầu.

4

Nếu gọi ns là số nguyên tử nằm trên bề mặt, n là tổng số nguyên tử thì mối liên hệ giữa hai đại lƣợng trên sẽ là ns  4n2/3 . Tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử sẽ là f 

ns r 4  1/3  4 o , trong đó r0 là bán kính của nguyên tử và r là n n r

bán kính của hạt nano. Nhƣ vậy, nếu kích thƣớc của vật liệu giảm (r giảm) thì tỉ số f tăng lên.

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 thƣớc 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 thƣớc 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 không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thƣớc vì f tỉ lệ nghịch với r theo một hàm liên tục. [7] 1.1.3. Phân loại vật liệu nano Có rất nhiều cách phân loại vật liệu nano, mỗi cách phân loại cho ra rất nhiều loại nhỏ nên thƣờng hay làm lẫn lộn các khái niệm. Sau đây là một vài cách phân loại thƣờng dùng. a. Phân loại theo hình dáng của vật liệu [5] · Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thƣớc nano), ví dụ đám nano, hạt nano · Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thƣớc nano, ví dụ dây nano, ống nano · Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thƣớc nano, ví dụ màng mỏng.

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thƣớc 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 ngƣời đặt tên số chiều bị giới hạn ở kích thƣớc nano. Nếu nhƣ thế thì hạt nano là vật liệu nano 3 chiều,

5

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 b. 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 Nhiều khi ngƣời 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 tƣợng chính của chúng ta sau đây là "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" đƣợc phân loại theo hình dáng, "kim loại" đƣợc 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 đƣợc khi phân loại theo tính chất.

1.2. HẠT NANO KIM LOẠI 1.2.1. Nguồn gốc lịch sử Hạt nano kim loại là một khái niệm để chỉ các hạt có kích thƣớc nano đƣợc tạo thành từ các kim loại.

Ngƣời ta biết rằng hạt nano kim loại nhƣ hạt nano vàng, nano bạc đƣợc sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Nổi tiếng nhất có thể là chiếc cốc Lycurgus đƣợc ngƣời La Mã chế tạo vào khoảng thế kỉ thứ tƣ trƣớc Công nguyên và hiện nay đƣợc trƣng bày ở Bảo tàng Anh . Chiếc cốc đó đổi màu tùy thuộc vào cách ngƣời 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 ngày nay cho thấy trong chiếc cốc đó có các hạt nano vàng và bạc có kích thƣớc 70 nm và với tỉ lệ 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 phƣơng pháp chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự đƣợc bắt đầu. Khi nghiên cứu, các nhà khoa học đã thiết lập các phƣơng pháp chế tạo và hiểu đƣợc 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 thƣớc 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 nƣớc biển hoặc chuyển sang màu da

6

cam khi kích thƣớc của hạt thay đổi. Hiện tƣợng thay đổi màu sắc nhƣ vậy là do một hiệu ứng gọi là cộng hƣởng 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 tƣợng quang học thú vị nhƣ trên. Ngoài tính chất trên, các hạt nano bạc còn đƣợc biết có khả năng diệt khuẩn. Hàng ngàn năm trƣớc ngƣời ta thấy sữa để trong các bình bạc thì để đƣợc lâu hơn. Ngày nay ngƣời ta biết đó là do bạc đã tác động lên enzim liên quan đến quá trình hô hấp của các sinh vật đơn bào. [5] 1.2.2. 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 thƣớc. Tuy nhiên, do đặc điểm các hạt nano có tính kim loại, tức là có mật độ điện tử tự do lớn thì các tính chất thể hiện có những đặc trƣng riêng khác với các hạt không có mật độ điện tử tự do cao. a. Tính chất quang học Tính chất quang học của hạt nano vàng, bạc trộn trong thủy tinh làm cho các sản phẩm từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau đã đƣợc ngƣời La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trƣớc. Các hiện tƣợng đó bắt nguồn từ hiện tƣợng cộng hƣởng Plasmon bề mặt (surface plasmon 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 dƣới tác dụng của điện từ trƣờng bên ngoài nhƣ ánh sáng. Thông thƣờng 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 đƣờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thƣớc. Nhƣng khi kích thƣớc của kim loại nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình thì hiện tƣợng dập tắt không còn nữa mà điện tử sẽ dao động cộng hƣởng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của hạt nano đƣợc có đƣợc do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến từ quá trình tƣơng tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao động nhƣ vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo thành một lƣỡng cực điện.

Do vậy xuất hiện một tần số cộng hƣởng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trƣờng xung quanh là các yếu tố ảnh hƣởng nhiều nhất. Ngoài ra, mật độ hạt nano cũng ảnh hƣởng đến tính chất quang. Nếu mật

7

độ loãng thì có thể coi nhƣ gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh hƣởng của quá trình tƣơng tác giữa các hạt. [5] b. 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 lƣợng 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 với dao động nhiệt của nút mạng. c. Tính chất từ Các kim loại quý nhƣ vàng, bạc,…có tính nghịch từ ở trạng thái khối do sự bù trừ cặp điện tử. Khi vật liệu thu nhỏ kích thƣớc thì sự bù trừ trên sẽ không toàn diện nữa và vật liệu có từ tính tƣơng đối mạnh. Các kim loại có tính sắt từ ở trang thái khối nhƣ các kim loại chuyển tiếp sắt, cô ban, ni ken thì khi kích thƣớc nhỏ sẽ phá vỡ trật tự sắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ. Vật liệu ở trạng thái siêu thuận từ có từ tính mạnh khi có từ trƣờng và không có từ tính khi từ trƣờng bị ngắt đi, tức là từ dƣ và lực kháng từ hoàn toàn bằng không. [31] d. Tính chất nhiệt Nhiệt độ nóng chảy Tm của vật liệu phụ thuộc vào mức độ 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 vị nhỏ hơn số phối vị của các nguyên tử ở bên trong nên chúng có thể dễ dàng tái sắp xếp để có thể ở trạng thái khác hơn. Nhƣ vậy, nếu kích thƣớc của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm. Ví dụ, hạt vàng 2 nm có Tm = 500°C, kích thƣớc 6 nm có Tm = 950°C. 1.3. TỔNG HỢP NANO KIM LOẠI Nếu phân loại theo cách tiếp cận, có hai phƣơng pháp tổng hợp nano kim loại đƣợc sử dụng là phƣơng pháp “từ trên xuống” hoặc phƣơng pháp “từ dƣới lên”.

1.3.1. Phƣơng pháp từ trên xuống Nguyên lý của phƣơng pháp: dùng kỹ thuật nghiền và biến dạng để biến vật liệu thể khối với tổ chức hạt thô thành cỡ hạt kích thƣớc nano. Đây là các phƣơng pháp

8

đơn giản, rẻ tiền nhƣng rất hiệu quả, có thể tiến hành cho nhiều loại vật liệu với kích thƣớc khá lớn (ứng dụng làm vật liệu kết cấu).

Trong phƣơng pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột đƣợc trộn lẫn với những viên bi đƣợc làm từ các vật liệu rất cứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay (còn gọi là nghiền kiểu hành tinh). Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kích thƣớc nano. Kết quả thu đƣợc là vật liệu nano không chiều (các hạt nano).

Phƣơng pháp biến dạng đƣợc sử dụng với các kỹ thuật đặc biệt nhằm tạo ra sự biến dạng cực lớn mà không làm phá huỷ vật liệu. Nhiệt độ có thể đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào từng trƣờng hợp cụ thể. Nếu nhiệt độ gia công lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại thì đƣợc gọi là biến dạng nóng, còn ngƣợc lại thì đƣợc gọi là biến dạng nguội. Kết quả thu đƣợc là các vật liệu nano một chiều (dây nano) hoặc hai chiều (lớp có chiều dày nm). Ngoài ra, hiện nay ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano.

Phƣơng pháp từ trên xuống tạo ra cấu trúc bề mặt của sản phẩm không hoàn hảo và đây là một hạn chế lớn bởi vì hóa học bề mặt và các tính chất vật lý khác của các hạt nano phụ thuộc nhiều vào cấu trúc bề mặt. [9], [11] 1.3.2. Phƣơng pháp từ dƣới lên Nguyên lý của phƣơng pháp: Hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion.

Phƣơng pháp từ dƣới lên đƣợc phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lƣợng của sản phẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay đƣợc chế tạo từ phƣơng pháp này. Phƣơng pháp từ dƣới lên có thể là phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp hóa học hoặc kết hợp cả hai. a. Phương pháp vật lý [11] Phƣơng pháp vật lý phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano đƣợc tạo ra từ phƣơng pháp vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang). Phƣơng pháp chuyển pha: vật liệu đƣợc nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đƣợc trạng thái vô định Hình, xử lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định Hình - tinh thể (kết tinh) (phƣơng pháp nguội

9

nhanh). Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc dùng để tạo các hạt nano, màng nano, ví dụ: ổ cứng máy tính.

Tổng hợp nano kim loại

Phƣơng pháp từ trên xuống

Phƣơng pháp từ dƣới lên

Kết tủa hoá học, điện hoá học Lắng đọng pha hơi Kết tủa nguyên tử/phân tử Quá trình sol – gel Nhiệt phân bằng tia laser Quá trình tạo sol khí

Nghiền cơ học Khắc hoá học Nhiệt phân bằng nhiệt laser Nổ nhiệt điện Phún xạ

Khử sinh học

Muối kim loại

NAPH

Nano kim loại

NAP

Chất khử sinh học: - Thực vật và các bộ phận của thực vật - Vi khuẩn; nấm; nấm men; tảo; xạ khuẩn Hình 1.1. Các phƣơng pháp tổng hợp nano kim loại [31]

10

b. Phương pháp hóa học [13], [21] Phƣơng pháp hóa học là phƣơng pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phƣơng pháp hóa học có đặc điểm là rất đa dạng vì tùy thuộc vào vật liệu cụ thể mà ngƣời ta phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể phân loại các phƣơng pháp hóa học thành hai loại: Hình thành vật liệu nano từ pha lỏng (phƣơng pháp kết tủa, sol-gel,...) và từ pha khí (nhiệt phân,...). Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,…

Bị khử

Phát triển mầm

Bền hóa

Hình 1.2. Minh họa cơ chế của phƣơng pháp từ dƣới lên trong điều chế nano kim loại c. Phương pháp kết hợp [13], [21] Phƣơng pháp kết hợp: là phƣơng pháp tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học nhƣ: điện phân, ngƣng tụ từ pha khí,... Phƣơng pháp này có thể tạo các hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano,..

Cơ chế của phƣơng pháp từ dƣới lên có thể đƣợc trình bày nhƣ Hình 1.2.

1.4. XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG CỦA CÁC HẠT NANO KIM LOẠI Tán xạ ánh sáng (DLS), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), Fourier transform infraredspectroscopy (FTIR), nhiễu xạ tia X

11

(XRD) và năng lƣợng quang phổ phân tán (EDS), quang phổ UV-Vis cũng là một kỹ thuật thƣờng đƣợc sử dụng.

Năm 2000, Sun và cộng sự đã sử dụng XRD để xác định pha và đặc trƣng cấu trúc tinh thể của các hạt nano. Tia X xuyên qua vật liệu nano và mô hình nhiễu xạ thu đƣợc so với tiêu chuẩn để có đƣợc thông tin cấu trúc.

Năm 2002, theo Feldheim và Foss, các ánh sáng có bƣớc sóng từ 300–800 nm thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả các hạt nano kim loại khác nhau trong phạm vi kích thƣớc từ 2 đến 100 nm. Trong đó, các ánh sáng có bƣớc sóng bƣớc sóng từ 400-450 nm và 500–570 nm đƣợc sử dụng để mô tả các hạt nano bạc và vàng, tƣơng ứng.

Năm 2009, theo Jiang và cộng sự của ông, Các hạt nano thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi kích thƣớc, hình dạng, bề mặt và độ phân tán của chúng. Các kỹ thuật phổ biến xác định các đặc tính của các hạt nano gồm: Năm 2009, Jiang và cộng sự đã sử dụng phƣơng pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) để mô tả điện tích bề mặt và sự phân bố kích thƣớc của các hạt lơ lửng trong dung dịch keo nano.

Kính hiển vi điện tử là một phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến khác. Năm 2009, Schaffer và cộng sự đã dùng kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi điện tử truyền qua đƣợc sử dụng để xác định hình thái học của các hạt ở quy mô nanomet đến micromet. Kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao gấp 1000 lần so với kính hiển vi điện tử quét.

Phổ FTIR hữu ích cho việc mô tả hóa học bề mặt các nhóm chức hữu cơ (ví dụ: cacbonyl, hydroxyl…) gắn với bề mặt của các hạt nano và các dƣ lƣợng hóa chất bề mặt khác cũng đƣợc phát hiện bằng FTIR. Năm 2010, theo Strasser và cộng sự, thành phần nguyên tố của các hạt nano kim loại thƣờng đƣợc xác định bằng cách sử dụng quang phổ tán xạ năng lƣợng (EDX) [40]

12

1.5. TỔNG HỢP NANO KIM LOẠI BẰNG PHƢƠNG PHÁP SINH HỌC (SINH TỔNG HỢP NANO KIM LOẠI Mặc dù có rất nhiều công nghệ bao gồm phƣơng pháp hóa học và vật lý đã phát triển nhƣng việc tổng hợp các hạt nano kim loại theo phƣơng pháp sinh học vẫn tiếp tục đƣợc tiến hành bởi các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới. Bất lợi lớn trong phƣơng pháp vật lý là năng suất thấp, và trong phƣơng pháp hóa học là việc sử dụng các dung môi độc và tạo ra các sản phẩm phụ nguy hiểm (Mallic et al., 2004). Hơn nữa, các hạt nano tổng hợp còn hóa chất trên bề mặt chúng (Singh et al., 2010). Tất cả những yếu tố này hạn chế các ứng dụng y học của hạt nano tổng hợp theo những phƣơng pháp đó.

Từ khía cạnh y tế, các ứng dụng của hạt nano tăng lên rất nhiều chỉ khi ngƣời ta tập trung vào các phƣơng pháp sinh học.

1.5.1. Nguyên liệu trong phƣơng pháp sinh tổng hợp Có rất nhiều nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên phục vụ cho quá trình sinh tổng hợp hạt nano kim loại. Chính vì vậy, có rất nhiều nghiên cứu đề cập đến quá trình sinh tổng hợp hạt nano. Hệ thống sinh vật khác nhau nhƣ thực vật, sản phẩm của thực vật (rễ, than, lá, củ, mủ…), tảo, nấm, nấm men, vi khuẩn và thậm chí cả virus đƣợc sử dụng thƣờng xuyên nhƣ chất khử sinh học của các hạt nano 1.5.2. Các bƣớc của quá trình sinh tổng hợp Sự sinh tổng hợp các hạt nano kim loại bao gồm 3 bƣớc chính: (i) chọn lựa các chất khử; (ii) chọn lựa môi trƣờng dung môi và (iii) chọn lựa chọn tác nhân làm bền hóa.

1.5.3. Nguyên tắc của quá trình sinh tổng hợp Nguyên tắc cơ bản chính của sự sinh tổng hợp của các hạt nano là sự khử các ion kim loại bằng phân tử sinh học khác nhau nhƣ các enzim/protein, axit amin, poli saccarit… và vitamin có trong các sinh vật.

1.5.4. Ƣu điểm của quá trình sinh tổng hợp Phƣơng pháp sinh học tƣơng đối đơn giản, ít tốn thời gian trong quá trình tổng hợp hạt nano.

Từ khía cạnh y tế, các ứng dụng của hạt nano tăng lên rất nhiều chỉ khi ngƣời ta tập trung vào các phƣơng pháp sinh học.

13

Có rất nhiều nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên phục vụ cho quá trình tổng hợp xanh hạt nano.

Hơn nữa, năng suất cao, độc tính thấp, chi phí thấp và không gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng.

Một ƣu điểm khác là kích thƣớc của các hạt nano tổng hợp cũng có thể đƣợc kiểm soát dễ dàng bằng các thông số khác nhau nhƣ độ pH và nhiệt độ. [33], [41] 1.5.5. Chất khử sinh học a. Vi khuẩn Rất nhiều các kim loại nhƣ vàng, bạc và cadmium đã đƣợc tổng hợp ở kích thƣớc nano bởi vi khuẩn. Vi khuẩn đƣợc xem nhƣ những “nhà máy” điều chế nano đƣợc sử dụng chủ yếu. Phƣơng pháp sinh tổng hợp nano bởi vi khuẩn đƣợc thực hiện bởi cả hai phƣơng pháp ngoại bào và nội bào. Năm 2009, theo Gurunathan, sự sinh tổng hợp hạt nano bạc đã đƣợc tiến hành trong vi khuẩn E.coli. Mẻ cấy vi khuẩn đã đƣợc tách ra bằng cách ly tâm và sau đó thêm vào nitrat bạc nồng độ thấp để có đƣợc các hạt nano bạc. Sau đó, các hạt nano tổng hợp đƣợc xác định đặc tính bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quang phổ hồng ngoại (FTIR). Cuối cùng, kích thƣớc của các hạt nano đã đƣợc tìm thấy là 50 nm. b. Xạ khuẩn (Actinomycetes) Xạ khuẩn là một nhóm vi khuẩn Gam dƣơng cho thấy đặc điểm quan trọng của cả vi khuẩn và nấm. Tổng hợp ngoại bào của các hạt nano vàng có thể thực thi trong các loài xạ khuẩn Thermomonospora. Năm 2003, theo Sastry và Ahmad trong môi trƣờng kiềm Thermomonospora cũng điều chế đƣợc các hạt nano vàng. Năm 2010, theo Kalishwaralal, hạt nano bạc và vàng hình cầu đã đƣợc tổng hợp từ loài xạ khuẩn có tên Brevibacterium casei, có kích thƣớc là trong khoảng 10-50 nm. c. Nấm Nhiều loại nấm, nhƣ Fusarium oxysporum, Aspergillus fumigatus,…., đã đƣợc chứng minh có thể điều chế các hạt nano vàng và bạc. Sự tổng hợp theo phƣơng pháp nội bào hạt nano vàng đã đƣợc chứng minh bằng nấm Verticillium luteoalb.

Theo Kathiresan, năm 2009, một vài loại nấm biển, giống nhƣ Penicillium Fellutarum, cũng đã đƣợc chứng minh để tạo ra các hạt nano bạc theo phƣơng pháp

14

nội bào. So với vi khuẩn, quy mô điều chế nano có thể lớn hơn trong nấm, vì các enzim có vai trò chủ yếu trong điều chế hạt nano tiết ra nhiều hơn. d. Tảo Theo Singaravelu, năm 2007, một số tảo nhƣ Sargassum wightii đƣợc sử dụng để tạo ra các hạt nano vàng theo phƣơng pháp ngoại bào. Vi tảo là cây nhỏ nguyên thủy có thể đƣợc sử dụng để tạo ra các hạt nano. Một trong số các thuộc tính hấp dẫn của vi tảo làm cho chúng dễ dàng hơn cho tổng hợp các hạt nano là thời gian nhân đôi nhanh, việc nuôi cấy mô phát triển tốt, quy mô lớn, thu hoạch dễ dàng và các tế bào có thể dễ dàng bị phá vỡ. Các vi tảo Chlorella vulgaris đã đƣợc chứng minh có thể tổng hợp các hạt nano vàng trong phạm vi kích thƣớc đƣờng kính 40-60 nm. e. Enzim Hạt nano cũng có thể đƣợc tổng hợp bằng enzim. Năm 2007, theo Anil Kumar đã sử dụng các enzime alpha -NADPH Nitrate reductase và phytochelatin chelate cho vào dung dịch nitrat bạc, hạt nano bạc trong khoảng đƣờng kính 10-25 nm đƣợc tổng hợp.

Enzim tổng hợp từ vi khuẩn Bacillus cereus NK1 cũng đã đƣợc tìm thấy để điều chế cả các hạt nano vàng và bạc. Ủ enzim này với bạc nitrat tạo ra các hạt nano bạc với kích thƣớc 60 nm, và với clorua vàng (HAuCl4) điều chế hạt nano vàng trong kích thƣớc 20 nm. f. Thực vật Ý tƣởng sử dụng chiết xuất thực vật cho quá trình tổng hợp sinh học các hạt nano kim loại dựa trên sự quan sát thấy rằng thực vật có thể hấp thụ và chuyển hóa sinh học các ion kim loại trong đất và dung dịch.

Năm 2002, những nghiên cứu của Gardea-Torresdey và cộng sự đã khẳng định có sự tạo mầm và phát triển của hạt nano vàng (Au) trong loài cỏ linh lăng đƣợc trồng trong môi trƣờng giàu ion AuCl4-.

Hạt nano bạc và vàng là trọng tâm đặc biệt của tổng hợp thực vật.. Ngoài ra, theo một số các nghiên cứu đã chứng minh, thực vật cũng đƣợc cũng có khả năng tạo ra các hạt nano đồng và hợp kim vàng-bạc-đồng. Một vài loại thực vật, nhƣ Brassica

15

juncea (mù tạt Ấn Độ), Medicago sativa (Cỏ linh lăng) và Helianthus annuus (Hoa hƣớng dƣơng), đã đƣợc tìm thấy để điều chế nano bạc, niken, coban, kẽm và đồng.

Năm 2009, Hạt nano bạc đƣợc điều chế từ các loài thực vật Acalyha indica, có kích thƣớc trong khoảng 15-50 nm.

Năm 2012, theo Patil và các cộng sự, sản phẩm từ thực vật nhƣ chất chiết từ lá của loài thực vật hƣơng nhu tía (Ocimum tenuiflrum) đã đƣợc chứng minh có thể tổng hợp các hạt nano bạc có kích thƣớc trong khoảng 25-40 nm.

Năm 2012, theo Mohan Kumar và các cộng sự, chiết xuất của Terminalia chebula (chiên liêu) tổng hợp hạt nano bạc có hoạt tính kháng khuẩn tốt chống lại cả vi khuẩn Gam dƣơng và Gam âm. [33], [41] 1.5.6. Ƣu điểm của việc sử dụng thực vật để điều chế nano kim loại Chiết trong nƣớc các chất sẵn có trong thực vật nhƣ flavonoid, terpenoid, polyphenol, ancaloit… dễ dàng.

Việc khử ion kim loại khi sử dụng chiết xuất thực vật khá nhanh, dễ dàng tiến hành ở nhiệt độ phòng và áp suất thƣờng, dễ dàng mở rộng quy mô, việc khử các ion kim loại khi so sánh với các enzim của vi khuẩn và nấm đòi hỏi ít thời gian hơn vì việc tổng hợp phân tử hạt nano sử dụng chiết xuất thực vật không cần có quy trình tỉ mỉ của sự chuẩn bị nuôi cấy tế bào và tăng trƣởng tế bảo vi sinh vật O O O

Flanvonoids N HO

N

N

N

NH Alkaloids OH OH

HO

CH3

CH3 OH

OH OH

O

O

CH3

OH HO

CH3

Terpenoids

+ ion kim loại

MNP

O O O

OH

OH HO Polyphenols

OH

Hình 1.3. Tổng hợp nano kim loại từ dịch chiết thực vật [25] Nhìn chung, chiết xuất thực vật bao gồm cả chất khử và chất làm bền.

16

Vì các lý do trên, chiết xuất thực vật đã đƣợc sử dụng nhiều nhất trong công nghệ sinh tổng hợp hạt nano. [13], [33] 1.6. ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO KIM LOẠI Công nghệ nano là một lĩnh vực đang bùng nổ khi một lƣợng tiền lớn đang đƣợc đầu tƣ vào lĩnh vực này bởi các tổ chức tƣ nhân và nhà nƣớc. Các ứng dụng đều liên quan đến những tính chất khác biệt của hạt nano. Những ứng dụng đầu tiên nhƣ chúng ta đã biết là liên quan đến tính chất quang của chúng.

Ngoài ra, các ứng dụng của công nghệ nano trong việc chăm sóc sức khỏe và khoa học đời sống đã phát triển mạnh mẽ đáng kể trong những năm gần đây và có tiềm năng lớn để cách mạng hóa lĩnh vực y tế.

Hạt nano bao gồm có những thuộc tính khác khối kim loại, do đó càng làm tăng ứng dụng của chúng trên quy mô lớn. Thế kỷ 21 đã chứng kiến sự ra đời của các hạt nano trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, khi chúng đƣợc sử dụng trong nhiều loại mỹ phẩm trị liệu, phân phối thuốc đến các phần đặc biệt trong cơ thể và hệ thống di truyền gen, sự thay thế tƣơng hợp sinh học cho các bộ phận cơ thể và chất lỏng, vật chất cho xƣơng và tái tạo mô và cảm biến sinh học.

Hạt nano là phƣơng tiện dẫn truyền thuốc hiệu quả, vì chúng có khả năng thâm nhập vào hàng rào máu não và cung cấp thuốc đến não mà không làm mất bất kì đặc tính nào của thuốc. Điều này làm cho các hạt nano đƣợc sử dụng trị bệnh não một cách hiệu quả.

Công nghệ nano có tác động lớn trong lĩnh vực nông nghiệp, nhƣ thuốc trừ sâu xây dựng ở kích thƣớc nano có hiệu quả cao hơn và cải thiện. Các kháng khuẩn, chống nấm, chống viêm và kháng virus gia tăng ứng dụng của chúng trong để điều trị nhiều loại bệnh gây tử vong thậm chí nhƣ một số bệnh ung thƣ.

Nhƣ vậy, trong tƣơng lai gần, công nghệ nano sẽ chiếm ƣu thế do sự ứng dụng rộng rãi của nó. [33], [34]

17

1.7. VẬT LIỆU VÀNG NANO 1.7.1. Giới thiệu về kim loại vàng Vàng là kim loại quý đứng thứ 79 trong Bảng hệ thống tuần hoàn có cấu hình electron [Xe]4f145d106s1. Nguyên tử vàng có năng lƣợng ở hai mức 5d và 6s xấp xỉ nhau nên có sự cạnh tranh giữa lớp d và lớp s ([Xe]4f145d96s2). Điện tử của vàng có thể dịch chuyển về cả hai trạng thái này. Về cơ bản nano Au có thể có tính chất từ do có một phần điện tử 5d chƣa lấp đầy, tuy nhiên các lớp d chƣa lấp đầy có thể nằm dƣới các lớp lấp đầy, nên Au khối không có từ tính. Các điện tử hóa trị trong kim loại vàng rất linh động, tạo nên tính dẻo dai đặc biệt của vàng.

Hình 1.4. Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt của tinh thể vàng Vàng kết tinh có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt (Hình 1.4), nhóm đối xứng Fm3m, hằng số mạng a = 4.078Å. Mỗi nguyên tử Au liên kết với 12 nguyên tử xung quanh tạo nên cấu trúc xếp chặt nhƣ nhiều nguyên tố kim loại khác. Khoảng cách gần nhất giữa hai nguyên tử vàng là 2.884 Å, do đó bán kính vàng nguyên tử đƣợc coi là 1.442 Å. Mỗi nguyên tử lại có các electron rất linh động nên ở dạng khối, vàng có độ dẫn điện và nhiệt tốt Khi đƣợc chia nhỏ đến trạng thái phân tử có kích thƣớc vài nanomet (nm), nguyên tố này thể hiện nhiều đặc tính khác biệt. Trƣớc tiên chúng sẽ thay đổi màu sắc, chuyển từ màu vàng sang màu đỏ hoặc tím nhạt (Hình 1.5). Sự chuyển màu này có đƣợc là do trong phân tử nano vàng không hấp thụ ánh sáng có bƣớc sóng nằm trong vùng quang phổ nhƣ các miếng vàng khối thông thƣờng. Sự thay đổi màu sắc này là do hiệu ứng plasmon bề mặt tạo ra. [4], [5], [7]

18

Hình 1.5. Màu sắc khác nhau của dung dịch nano vàng tuỳ thuộc kích thƣớc hạt 1.7.2. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt (SPR) Hiện tƣợng “cộng hƣởng plasmon bề mặt” (SPR) đƣợc giải thích là: điện trƣờng của sóng điện từ tác động lên các electron tự do trên bề mặt hạt nano, làm electron bị dồn về một phía, gây ra sự phân cực (Hình 1.6). Sau đó, dƣới tác dụng của lực phục hồi Coulombic, các electron sẽ trở lại vị trí ban đầu. Vì có bản chất sóng, nên điện trƣờng dao động làm cho sự phân cực này dao động theo. Sự dao động này đƣợc gọi là “plasmon”. Khi tần số dao động của đám mây electron trùng với tần số của một bức xạ điện từ nào đó, sẽ gây ra sự dao động hàng loạt của các electron tự do. Hiện tƣợng này gọi là “cộng hƣởng plasmon bề mặt” (SPR). Nhƣ vậy, hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt là sự kích thích các electron tự do bên trong vùng bán dẫn, dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha. Khi kích thƣớc của một tinh thể nano kim loại nhỏ hơn bƣớc sóng của bức xạ tới, khi tần số photon tới cộng hƣởng với tần số dao động của

Điện trƣờng

electron tự do ở bề mặt sẽ xuất hiện hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. [2], [39]

Ánh sáng

Mây electron

Hình 1.6. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt của vàng [24] Đối với hạt vàng nano, dao động cộng hƣởng plasmon dẫn tới sự hấp thụ mạnh của ánh sáng vùng khả kiến. Điều này dẫn tới sự thay đổi lớn về màu sắc của dung

19

dịch vàng nano. Số lƣợng và vị trí của dãi plasmon phụ thuộc chủ yếu vào kích thƣớc và hình thái của hạt vàng nano.Vì vậy, peak cộng hƣởng có thể xuất hiện trong vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần. Ngoài ra, hằng số điện môi của vật liệu cấu trúc nano, chỉ số khúc xạ của môi trƣờng xung quanh, trạng thái của bề mặt (dung môi, chất ổn định) hay khoảng cách giữa các hạt cũng ảnh hƣởng đến vị trí và hình dạng của cộng hƣởng. [2], [39] 1.7.3. Ảnh hƣởng của hình dạng hạt nano vàng lên đặc tính quang học a. Vàng nano dạng cầu (gold nanoparticle: GNP) [2] Tính chất quang của vàng nano dạng cầu có thể đƣợc tính toán theo thuyết của Mie. Mie giải thích sự thay đổi màu sắc của hệ keo vàng nano dạng cầu bằng cách giải phƣơng trình Maxwell. Bằng cách này, ông đã mô tả tính chất quang học (tán xạ và hấp thụ) của vàng nano dạng cầu ở bất kỳ kích thƣớc nào. Theo đó, đối với vàng nano dạng cầu, SPR xảy ra ở vùng khả kiến tại bƣớc sóng khoảng 520-540 nm, tức là với vàng nano dạng hình cầu ngƣời ta quan sát đƣợc một dải plasmon nhƣ ở Hình 1.7 là một ví dụ. Nếu kích thƣớc (d) của hạt tăng lên thì cực đại hấp thụ ứng với SPR sẽ dịch chuyển về vùng có bƣớc sóng dài, tức là vùng ánh sáng đỏ (sự chuyển dịch đỏ). Tuy nhiên, khi hạt cầu lớn đến một kích thƣớc nào đó, sẽ trở thành dạng khối và hiện tƣợng SPR sẽ biến mất.

A

d

Bƣớc sóng (nm)

Hình 1.7. Phổ UV – Vis của vàng nano dạng cầu [14] b. Vàng nano dạng thanh (gold nanorods: GNR) [29] Đối với vàng nano dạng thanh, tính chất quang học có thể đƣợc hiểu rõ dựa vào thuyết Gans. Theo đó, trên phổ UV-Vis xuất hiện 2 peak hấp thụ cực đại: một cực đại

20

hấp thụ tƣơng ứng với cộng hƣởng plasmon bề mặt dọc theo trục ngang (transverse surface plasmon resonane: TSPR) và một dao động theo trục dọc (longitudinal surface plasmon resonance: LSPR) của hạt. Trong đó, dao động TSPR có cực đại nằm trong vùng khả kiến (khoảng 520-540 nm), còn dao động LSPR có cƣờng độ mạnh hơn rất nhiều so với dao động TSPR và có cực đại nằm trong vùng có bƣớc sóng lớn hơn, từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại gần phụ thuộc vào tỷ số cạnh (tỷ số giữa trục

A

dọc/trục ngang hay tỷ số dài/ngang) của vật liệu

Bƣớc sóng, nm Hình 1.8. Phổ UV-Vis của vàng nano dạng thanh [13] Ngoài hình dạng hình cầu chung, AuNP cũng đã đƣợc tổng hợp thành nhiều hình dạng khác nhau. Một số hình dạng khác nhau có thể đạt đƣợc bằng cách sử dụng một số phƣơng pháp tổng hợp và bằng cách thay đổi nhiều thông số nhƣ nồng độ chất phản ứng, điều kiện phản ứng và bản chất của dung môi.

1.7.4. Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt nano Các tính chất quang học của các hạt nano vàng Hình cầu phụ thuộc nhiều vào đƣờng kính hạt nano. Hình 1.9 là phổ hấp thụ UV-Vis của các dung dịch keo nano vàng ở cùng nồng độ. Các hạt nano vàng hình cầu nhỏ hơn chủ yếu hấp thụ ánh sáng và có đỉnh cộng hƣởng gần 520 nm, trong khi các hình cầu lớn hơn có sự hấp thụ lớn hơn, các đỉnh mở rộng đáng kể và chuyển dịch sang các bƣớc sóng dài hơn (gọi là dịch chuyển đỏ). Các quả cầu lớn hơn phân tán nhiều ánh sáng hơn bởi vì chúng có mặt cắt quang học lớn hơn, và cũng bởi vì suất phản chiếu của chúng tăng theo kích thƣớc.

21

Tuy nhiên khi kích thƣớc hạt nano hình cầu càng tăng lên thì độ hấp thụ có xu hƣớng

A

giảm. [38]

Bƣớc sóng

Hình 1.9. Phổ UV-Vis của các hạt nano vàng hình cầu có đƣờng kính từ 10nm tới 100nm 1.7.5. Ảnh hƣởng của sự kết tụ Các tính chất quang học của các hạt nano vàng thay đổi do các hạt kết tụ và các electron ở vùng dẫn ở bề mặt mỗi hạt trở nên hỗn độn và tƣơng tác với các hạt lân cận.

Vì điều này xảy ra mà sự cộng hƣởng plasmon bề mặt chuyển dịch sang vùng năng lƣợng thấp hơn, khiến cho các đỉnh hấp thụ và tán xạ chuyển dịch sang bƣớc sóng dài hơn (chuyển dịch đỏ).

Phƣơng pháp quang phổ UV-Vis có thể đƣợc sử dụng nhƣ một phƣơng pháp đơn giản và đáng tin cậy để theo dõi sự ổn định của các dung dịch hạt nano. Khi các hạt không ổn định, cƣờng độ hấp thụ sẽ giảm (do sự suy giảm của các hạt nano ổn định), và thƣờng đỉnh sẽ mở rộng hoặc đỉnh thứ cấp sẽ hình thành ở bƣớc sóng dài hơn (do sự kết tụ các hạt nano). Bên dứoi là kết quả ghi phổ UV-Vis hạt nano vàng có đƣờng kính 12 nm với nhóm cacboxyl (-COOH) trên bề mặt đƣợc thay đổi khi pH của dung dịch thay đổi từ 6,5 đến 3. Khi dung dịch trở nên có tính axit hơn, nhóm cacboxy đƣợc proton hóa, thế Zeta bị giảm dẫn đến các hạt nano bị mất ổn định. Sự thay đổi nhanh chóng trong quang phổ hấp thụ khi độ pH giảm rõ ràng chứng minh rằng các hạt nano đang kết tụ.

Một tín hiệu tƣơng tự đƣợc quan sát thấy trong các dung dịch mà các hạt nano tổng hợp đƣợc không đƣợc làm bền trở nên mất ổn định và kết tụ lại. Quang phổ UV-

22

Vis có thể đƣợc sử dụng nhƣ một kỹ thuật xác định đặc tính cung cấp thông tin về việc liệu dung dịch hạt nano có bị mất độ ổn định theo thời gian hay không. [32], [38]

A

Kết tụ Không bị kết tụ

Bƣớc sóng Hình 1.10. Phổ UV-Vis của dung dịch nano vàng không bị kết tụ và bị kết tụ 1.7.6. Một số phƣơng pháp tổng hợp nano vàng a. Phương pháp Turkevich [17], [26] Đây là phƣơng pháp lần đầu tiên đƣợc mô tả vào năm 1951 và là một trong những phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến nhất để tổng hợp AuNP hình cầu trong phạm vi kích thƣớc 10 nm-20 nm (Hình 1.11.). Nguyên tắc của phƣơng pháp này liên quan đến việc khử các ion vàng (Au 3+) thành các nguyên tử vàng (Au) khi có các chất khử nhƣ citrat, axit amin, axit ascorbic hoặc tia UV. Kích thƣớc của AuNPs đƣợc tiếp tục ổn định bằng cách sử dụng các tác nhân ổn định khác nhau.

Quy trình tạo hạt nano vàng đƣợc thực hiện bằng phản ứng giữa một lƣợng dung dịch nóng chloauric với dung dịch natri citrat. Hạt nano vàng hình thành nhờ các ion citrat bao xung quanh bề mặt lõi vàng, đóng cả hai vai trò làm tác nhân khử cũng nhƣ tác nhân làm bền .

Cơ chế nhƣ sau: khi xảy ra phản ứng khử tạo ra các hạt nano vàng và các ion citrat tích điện âm, các hạt nano vàng có xu hƣớng cực tiểu hóa bề mặt sẽ co cụm lại với nhau nhƣng các ion citrate tích điện âm bao quanh hạt nano vàng nhƣ một chất hoạt động bề mặt ngăn cản sự co cụm của các hạt vàng.

23

Ban đầu, phƣơng pháp Turkevich bị hạn chế bởi kích thƣớc của các hạt nano vàng tạo ra không đa dạng. Tuy nhiên, một số tiến bộ trong phƣơng pháp ban đầu đã cho phép các nhà nghiên cứu mở rộng phạm vi kích thƣớc của các hạt đƣợc tạo ra.

Năm 1973, Frens nhận thấy rằng bằng cách thay đổi tỷ lệ chất khử và chất ổn định, kích thƣớc của các hạt nano vàng có thể dao động từ 16 nm-147 nm.

O O

O HAuCl4

O O Na

H2O

O OH Na

Na CH2 R=

C

Na+ Na+ R C O O C O O Na O O Na C C O O R AuNP R O C C O Na+ O O Na + O O Na Na O C C O R

O

CH2

Hình 1.11. Sơ đồ phƣơng pháp Turkevich b. Phương pháp Brust [17], [40] Phƣơng pháp Brust đƣợc mô tả lần đầu tiên vào năm 1994. Phƣơng pháp này là một quá trình gồm hai giai đoạn sử dụng dung môi hữu cơ để tạo ra các hạt nano vàng có kích thƣớc từ 1,5 nm tới 5.2 nm AuNPs (Hình 1.11) và bằng cách thay đổi tỷ lệ thiol và dung dịch muối vàng. Phƣơng pháp Brust xuất phát từ hệ thống hai pha của Faraday. Phƣơng pháp này liên quan đến việc chuyển muối vàng từ dung dịch nƣớc sang dung môi hữu cơ (ví dụ toluene) sử dụng tác nhân chuyển pha (ví dụ tetraoctylammonium bromide (TOAB), sau đó muối vàng đƣợc khử bằng cách sử dụng sodium borohydride khi có alkanethiol. Các alkanethiols làm chất ổn định các hạt nano vàng thu đƣợc dẫn tới kết quả là dung dịch keo nano vàng thu đƣợc có sự thay đổi màu sắc của từ màu da cam sang màu nâu.

24

+ Oct4NBr

+ toluen

Oct4N+AuCl4trong toluen

HAuCl4 trong H2O + thiol Dung dịch nano vàng

NaBH4/H2O +

Hình 1.12. Sơ đồ phƣơng pháp Brust c. Phương pháp Martin [16] Phƣơng pháp này đƣợc phát minh bởi nhóm Eah vào năm 2010, phƣơng pháp này tạo ra các hạt nano vàng dạng “trần” trong nƣớc bằng việc khử HAuCl4 với NaBH4. Dù không sử dụng các chất hoạt động bề mặt nhƣ citrate vẫn tạo đƣợc các hạt nano vàng phân tán rất bền. Phân bố kích thƣớc gần nhƣ đơn phân tán với đƣờng kính có thể chính xác và tái tổng hợp trong khoảng 3.2 đến 5.2 nm. Các hạt nano “trần” đƣợc bọc với một đơn lớp 1-dodecanethiol và sau đó chuyển pha thành hexane bằng việc lắc hỗn hợp của nƣớc, acetone và hexane trong 30 giây. Do đó, tất các sản phẩm phản ứng kết hợp tồn tại ở pha nƣớc-axeton. Lƣợng 1-dodecanethiol chỉ chiếm 10% nguyên tử vàng trong tổng số. Tất cả các quy trình phản ứng này chỉ mất dƣới 10 phút.

HAuCl4

NaBH4 SH

S S S S Au S S S S

Hình 1.13. Sơ đồ phƣơng pháp Martin

25

Những hạt nano vàng đƣợc bọc bởi lớp phân tử hữu cơ kỵ nƣớc có tính chất đặc biệt cho khả năng tự sắp xếp 2 chiều và tính điện trong dung môi không phân cực.

Chúng nổi lên ra ngoài phía bề mặt của hạt toluene trong không khí và hình thành một lớp màng mỏng và hình thành nên đơn lớp và có thể phủ lên bất kì loại đế nào khi toluence bay hơi mà không cần bất kì thiết bị phức tạp nào. Loại màng đơn lớp chứa các hạt nano vàng gần nhƣ đồng đều ở tất cả các kích thƣớc nm, µm và mm, phƣơng pháp này không hạn chế về kích thƣớc chế tạo, do đó nó có thể bao phủ bề mặt của cả miếng silicon tới 3 inch. d. Phương pháp phát triển hạt [40] Trong khi các phƣơng pháp Turkevich và Brust có thể tạo ra các AuNP hình cầu.

Tuy nhiên, AuNP cũng có thể tồn tại dƣới nhiều dạng cấu trúc nano khác nhƣ hình que, hình khối, hình ống v.v… và phƣơng pháp đƣợc ƣu tiên rộng rãi để thu đƣợc AuNP trong các hình dạng khác là phƣơng pháp phát triển hạt (seeded growth method). Nguyên tắc cơ bản của phƣơng pháp này là đầu tiên tạo ra các hạt bằng cách khử các dung dịch muối vàng với một tác nhân khử mạnh nhƣ natri borohydride. Các hạt nano này này sau đó đƣợc thêm vào dung dịch muối kim loại mà trong đó có mặt của một chất khử yếu nhƣ axit ascorbic và một tác nhân điều hƣớng cấu trúc (đĩa hình que) để ngăn chặn sự tạo mầm thêm và đẩy nhanh sự phát triển dị hƣớng của AuNP. Dạng hình học của nano vàng có thể đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi nồng độ hạt, chất khử và tác nhân điều khiển cấu trúc.

26

Bƣớc 1 : Điều chế “hạt” vàng

+ NaBH4 Hạt vàng Muối vàng Bƣớc 2 : Điều chế “dung dịch tăng trƣởng hạt” (growth solution)

+ axit ascorbic “growth solution”

Muối vàng

Đĩa Hình que

Ion bạc

Bƣớc 3: Điều chế nano vàng Hình que

+ “growth solution”

Dung dịch keo nano vàng

Hạt vàng

Hình 1.14. Sơ đồ phƣơng pháp phát triển hạt Ngoài những phƣơng pháp trên, các phƣơng pháp liên quan đến sóng siêu âm, vi sóng, cắt lase, phƣơng pháp dung nhiệt, khử điện hóa, khử quang hóa quang hóa cũng đã đƣợc sử dụng để để điều chế nano vàng.

1.7.7. Các ứng dụng nổi bật của nano vàng a. Dẫn truyền thuốc Các hạt nano vàng có thể đóng vai trò nhƣ thụ thể mang trong các ứng dụng dẫn thuốc và chuyển gen.

Các phân tử hoạt hóa sinh học hấp thụ lên bề mặt của hạt nano vàng đƣợc dẫn đƣờng vào các tế bào sau đó đƣợc giải phóng. Vận chuyển DNA là mộtnguyên tắc cơ bản của liệu pháp gen. Khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng của hạt nano vàng cho phép chúng trở nên phù hợp với các đối tƣợng môi trƣờng kích thích nhiệt, năng lƣợng hấp

27

thụ ánh sáng đƣợc tiêu tan vào các hạt xung quanh, làm tăng nhiệt độ của môi trƣờng xunh quanh. Hiệu ứng này có thể đƣợc sử dụng để mở các viên nang polymer dạng bọc kích thƣớc micro, đây chính là khả năng nhả thuốc của hạt nano vàng. Những thuộc tính khác nhƣ các hạt đƣợc chức năng hóa nhƣ nhau, có thể gắn đặc hiệu với các tế bào cụ thể nào đó, ứng dụng này rất quan trọng trong các ứng dụng điều trị nhƣ bệnh ung thƣ hay nhiệt điều trị bằng cách nung nóng các mô có sẵn các hạt nano để phá hủy các tế bào ung thƣ ác tính. [1] b. Đánh dấu sinh học Đặc điểm nổi bật nhất của các hạt nano vàng đƣợc khai thác đó là tạo ra độ tƣơng phản và làm mạnh tín hiệu màu hay hấp thụ mạnh điện tử của hạt nano vàng.

Vì thế trong kính hiển vi điện tử truyền qua, hạt nano vàng là vật liệu phổ biến và thích hợp nhất cho việc nhuộm để tăng cƣờng tính tƣơng phản của các vật liệu hấp thụ kém điện tử. Kết hợp đặc tính nổi bật trên với khả năng chức năng hóa của hạt nano vàng cùng kích thƣớc nhỏ có thể ứng dụng hạt nano vàng gắn với các kháng thể, dẫn đến việc chúng có thể cung cấp độ phân giải rất cao trong rất nhiều ứng dụng đánh dấu sinh học khác Tƣơng tự với đặc tính quang học, hạt nano vàng có khả năng hấp thụ mạnh, tán xạ và đặc biệt là cộng hƣởng plasmon bề mặt. Khả năng đó giúp chúng trở thành công cụ hữu ích trong các kĩ thuật ứng dụng hiệu ứng quang học nhƣ hiện ảnh nhiệt - quang (photo -thermal), hay quang - thanh (photo - acousticimaging). c. Cảm biến sinh học Các thuộc tính quang học của hạt nano vàng có thể thay đổi khi gắn vớ iphân tử sinh học cụ thể, cho phép phát hiện định tính cũng nhƣ định lƣợng phân tích. Phổ hấp thụ của hạt nano vàng có thể thay đổi đột ngột khi các hạt co cụm với nhau. Sự co cụm của các hạt cực kì hữu ích trong ứng dụng phát hiện DNA với độ nhạy cực cao, thậm chí chỉ là vài cặp DNA liên kết bổ sung lỗi. [1], [17], [27]

28

1.8. CÂY LÔ HỘI 1.8.1. Giới thiệu về cây lô hội Lô hội, hay Lô hội, Long tu (có nơi gọi là lƣu hội, long thủ...) là tên gọi các loài cây mọng nƣớc thuộc chi Lô hội (tên khoa học là Aloe) Có hơn 300 loài Aloe khác nhau. Giống nổi tiếng nhất, Aloe barbadensis, Miller thƣờng đƣợc gọi là Aloe vera, đặc biệt chú ý đến khả năng chữa bệnh tuyệt vời của nó. [42] 1.8.2. Nguồn gốc lịch sử Những bức chạm khắc đá 6.000 năm tuổi chứa Hình ảnh cây Aloe vera đã đƣợc tìm thấy ở Ai Cập, nơi Aloe vera đƣợc gọi là "cây bất tử". Trong lịch sử, Aloe vera đã đƣợc sử dụng thành công bởi các học viên y học cổ truyền ở nhiều nền văn hóa khác nhau bao gồm: Hy Lạp, Ai Cập, Ấn Độ, Mexico, Nhật Bản và Trung Quốc.

Theo truyền thuyết, các nữ hoàng Ai Cập Nefertiti và Cleopatra đã sử dụng nó nhƣ là một phần của chế độ làm đẹp thông thƣờng của họ. Alexander Đại đế và Christopher Columbus đã sử dụng nó để chữa trị vết thƣơng cho binh sĩ. [42] 1.8.3. Thành phần hóa học Cây lô hội đƣợc mệnh danh là thuốc bổ tự nhiên vì nó chứa hơn 200 thành phần có lợi đối với con ngƣời. Mặc dù phần rắn của cây chỉ chiếm 1% -1,5%, phần còn lại là nƣớc nhƣng lƣợng hoạt chất nhỏ này có thể tạo ra nhiều hiệu quả đáng kể.

Chất nhựa của lô hội khi cô đặc lại sẽ có màu đen (còn gọi là Aloès). Phân tích thành phần nhựa lấy từ lá lô hội, các nhà nghiên cứu tìm thấy các chất sau: Axít amin (gồm tối thiểu 23 loại), vitamin (B1, B2, B5, B6, B12, axít folic, C, A, E), khoáng tố vi lƣợng (Na, K, Ca, P, Cu, Fe, Zn, Mg, Mn, Cr).

Các Monosaccharid, Polysaccharid: Cellulose, glucose, rhamnose, aldopentose, galactose, xylose, mannose, arabinose và acemannan, chính chất này có tác dụng kháng virút và giúp tăng cƣờng hệ miễn dịch của cơ thể.

Prostaglandin và các axít béo chƣa bão hoà: Axít gama linolenic. Nhóm chất này có tác dụng tiêu sƣng, giải dị ứng và làm lành vết thƣơng, mau lên da non.

29

Các Enzim: Là các men tiêu hoá giúp ăn ngon và làm thuốc bổ: oxydaza, Lipaza, Amilaza, Catalaza, Allnilaza v.v Nhóm anthraglycoside Anthraquinon: Có khả năng chống oxy hoá tế bào, nhuận trƣờng, giải độc, chống táo bón gồm: - Aloe Emodin (chất này không có trong dịch tƣơi lô hội). Trong nhựa khô, Aloe Emodin chiếm 0,05%-0,5% chất này tan trong ete, cloroform, benzen.

- Barbaloin: Chiếm 15-30% thành phần nhựa của lô hội. Chất này sẽ tan dần khi để ngoài không khí và ánh sáng. Tan trong nƣớc, cồn, axeton, rất ít trong benzen và cloroform.

- Các chất Aloinosit A, Aloinosit B, Anthranol, aloin, Aloezin, Aloenin, Aloectin B...

- Chất nhựa ester của axít cinnamic, axít hysophanic [36] 1.9. KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA NANO VÀNG 1.9.1. Vi khuẩn E. coli Escherichia coli (ghi tắt theo danh pháp là E. coli) là một vi khuẩn trực khuẩn ruột Gram âm, kỵ khí không bắt buộc, Hình que thuộc chi Escherichia thƣờng có mặt trong ruột của động vật máu nóng. Đa số "dòng" (strain) E. coli vô hại, nhƣng một số có thể gây ngộ độc thức ăn cho vật chủ, và từng gây những vụ thu hồi thực phẩm do nhiễm độc thứ ăn. E. coli là một phần của hệ vi sinh bình thƣờng trong ruột ngƣời, và còn giúp ích cho vật chủ nhờ sản xuất vitamin K2 và chống sự xâm lấn của vi khuẩn gây bệnh, tạo nên một mối quan hệ cộng sinh. E. coli bị thải ra môi trƣờng qua phân.

Chúng sinh trƣởng mạnh trong phân tƣơi ở điều kiện yếm khí trong 3 ngày, nhƣng dần suy giảm số lƣợng dần sau đó. [43]

Hình 1.15. Vi khuẩn E. Coli

30

1.9.2. Ứng dụng kháng khuẩn của vàng nano Thông thƣờng, để tiêu diệt các vi khuẩn, ngƣời ta thƣờng sử dụng các kháng sinh. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của việc sử dụng kháng sinh là gây rối loạn hệ tiêu hóa của ngƣời và động vật. Quan trọng hơn là hiện nay, nhiều nghiên cứu đã cho thấy, các chủng vi sinh vật (vi khuẩn) có hiện tƣợng kháng thuốc do việc sử dụng thuốc kháng sinh một cách bừa bãi và điều này đang trở thành mối đe dọa lớn đối với sức khỏe của con ngƣời. Do đó, việc tìm ra một con đƣờng mới để giải quyết vấn đề trên là điều cần thiết. Một trong những con đƣờng có nhiều hứa hẹn thành công, đó là sử dụng các hạt nano kim loại. Do có ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ, diện tích bề mặt lớn nên các hạt nano kim loại có thể dễ dàng tiếp xúc với các vi khuẩn. Điều này làm tăng khả năng kháng khuẩn của các hạt nano kim loại. Trong số các nano kim loại thì vàng nano đƣợc sử dụng rộng rãi bởi vì nó có diện tích bề mặt lớn và có khả năng chống oxi hóa bề mặt.

Các nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano cho thấy mức độ kháng khuẩn phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng và kích thƣớc hạt của chúng. [2], [30]

Hình 1.16. Khả năng kháng khuẩn của vàng nano Gần đây, năm 2013, Prema và cộng sự đã tổng hợp vàng nano từ phản ứng khử HAuCl4 bằng natri citrate với các tác nhân làm bền khác nhau nhƣ tinh bột, chitosan và nghiên cứu khả năng ức chế của chúng với 8 loại vi khuẩn khác nhau. Kết quả vòng vô khuẩn nhận đƣợc từ 7 đến 30 mm (Hình 1.17). Cùng thời gian đó, Lokina và cộng sự đã nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano đƣợc tổng hợp sử dụng dịch chiết quả nho làm chất khử. Theo đó, 6 loại vi khuẩn đƣợc chọn để nghiên cứu và kết quả thu đƣợc nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) từ 0,08 đến 1,25 mg/mL.

31

CHƢƠNG 2

NGUYÊN LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu, dụng cụ và hóa chất 2.1.1. Nguyên liệu Cây lô hội Cách lấy mẫu: Lấy cây lô hội, xanh, không bị sâu mọt, không bị dập. Làm sạch, để rảo rồi cắt nhỏ.

2.1.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất a. Dụng cụ và thiết bị - Bình định mức 1 lít; bếp điện; cốc thủy tinh 50mL, 100mL, 250mL; bình tam giác có nút nhám 100mL; pipet 1mL, 5mL, 10mL, 25mL, 50mL; nhiệt kế; chén sứ, giấy lọc, phễu chiết.

- Cân phân tích, bếp điện, máy khuấy từ, bếp cách thủy, máy đo pH, đĩa Petri.

- Máy đo quang phổ tử ngoại-khả kiến UV-Vis, máy cô quay chân không, máy đo pH, máy đo EDX, XRD, TEM. b. Hóa chất Bảng 2.1. Các hóa chất đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đề tài Nguồn gốc

Độ tinh khiết

Merk, Đức

PA

Axit clohidric (HCl)

Trung Quốc

P

Natri hidroxit (NaOH)

Trung Quốc

P

Hexan

Trung Quốc

P

Clorofom

Trung Quốc

P

Etyl axetat

Trung Quốc

P

Cồn 960

Trung Quốc

Tên hóa chất Hydrogen tetrachloroaurate (III) trihydrate (HAuCl4.3H2O)

32

2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chiết cây lô hội.

- Xác định thành phần hóa học dịch chiết nƣớc cây lô hội.

- Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo nano vàng.

- Xác định đặc trƣng của hạt nano vàng điều chế đƣợc.

- Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo nano vàng.

2.2.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chiết cây lô hội Hiệu suất chiết các chất hữu cơ trong cây lô hội với dung môi nƣớc đƣợc đánh giá thông qua hiệu suất tạo nano vàng, sau đó lấy lần lƣợt 5mL mỗi dịch chiết thu đƣợc và điều chế nano vàng theo qui trình nhƣ Hình 2.2 với 20 mL dung dịch HAuCl4 nồng độ 100ppm. Sau 60 phút, tiến hành đo phổ UV-Vis để tìm dung dịch có mật độ quang cực đại. Dung dịch keo nào giá trị mật độ quang cực đại (Amax) lớn nhất thì tƣơng ứng giá trị khối lƣơng lô hội ban đầu tối ƣu nhất.

Qui trình chuẩn bị dịch chiết nƣớc lô hội đƣợc trình bày trên Hình 2.1. + nƣớc cất Cây lô hội tƣơi đƣợc rửa sạch, thái nhỏ

Đun trong bếp cách thuỷ ở

Hỗn hợp dịch chiết Lọc

100oC, để nguội

Dịch chiết cần Hình 2.1. Qui trình thu dịch chiết nƣớc lá lô hội Qui trình điều chế dung dịch keo nano vàng đƣợc trình bày trên Hình 2.2.

Dịch chiết lô hội

Dung dịch HAuCl4 Khuấy

Dung dịch keo nano vàng Hình 2.2. Qui trình điều chế dung dịch keo nano vàng

33

a. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng lô hội với thể tích nước cất Để khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ khối lƣợng cây lô hội so với thể tích nƣớc cất lên quá trình chiết nƣớc cây lô hội, ta cố định các thông số nhƣ sau: - Thời gian chiết: 30 phút.

- Thời gian tạo nano vàng: 60 phút.

- Nhiệt độ tạo nano vàng: nhiệt độ phòng.

- Nồng độ dung dịch HAuCl4: 100 ppm.

- Thể tích dịch chiết: 5mL. - Thể tích dung dịch HAuCl4: 20 mL. - Môi trƣờng pH = 4,6.

- Thể tích nƣớc cất là 100mL, còn giá trị khối lƣợng lô hội thay đổi lần lƣợt là 10 gam, 20 gam, 30 gam, 40 gam, 50 gam. b. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chiết Để khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ khối lƣợng cây lô hội so với thể tích nƣớc cất lên quá trình chiết nƣớc cây lô hội, ta cố định các thông số nhƣ sau: - Thể tích nƣớc cất là 100mL. - Giá trị khối lƣợng lô hội nhƣ đã khảo sát ở mục a - Thời gian tạo nano vàng: 60 phút.

- Nhiệt độ tạo nano vàng: nhiệt độ phòng.

- Nồng độ dung dịch HAuCl4: 100 ppm.

- Thể tích dịch chiết: 5mL. - Thể tích dung dịch HAuCl4: 20 mL. - Môi trƣờng pH = 4,6.

Thời gian chiết thay đổi lần lƣợt là 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút.

2.2.2. Xác định thành phần các chất trong dịch chiết nƣớc lá lô hội Quá trình chiết lô hội trong dung môi nƣớc đƣợc thực hiện nhƣ Hình 2.1, với những điều kiện tối ƣu về tỉ lệ khối lƣợng lô hội với thể tích dung môi nƣớc cũng nhƣ thời gian chiết đã đƣợc khảo sát ở trên. Sau khi có dịch chiết lô hội trong nƣớc, lấy dịch chiết thu đƣợc tiếp tục chiết lần lƣợt với các dung môi n-hexan, chloroform và

34

etyl axetat, đo GC-MS từng phân đoạn chiết để xác định thành phần các chất hữu cơ.

Quá trình chiết với lần lƣợt từng dung môi đƣợc thực hiện nhƣ Hình 2.3.

Dịch chiết nƣớc nƣớc lô hội

Chiết với dung môi hexan Dịch chiết hexan

Dịch chiết 1 Chiết với dung môi Cloroform

Đo GC-MS

Kết quả Dịch chiết 2

Dịch chiết cloroforrm Đo GC-MS

Chiết với dung môi etylaxetat Dịch chiết etylaxetat

Kết quả Dịch chiết 3

Đo GC-MS

Kết quả

Hình 2.3. Qui trình chiết với các dung môi hexan, cloroform, etylaxetat

35

2.2.3. Xác định thành phần hóa học trong dịch chiết lá lô hội với dung môi etanol Quá trình chiết lô hội trong dung môi etanol đƣợc thực hiện nhƣ Hình 2.4. Dịch chiết thu đƣợc đem đo GC-MS để xác định thành phần các chất hữu cơ. Quá trình này đƣợc thực hiện nhằm so sánh thành phần các chất hữu cơ thu đƣợc khi chiết với dung môi là etanol với dung môi là nƣớc.

Cây lô hội tƣơi đƣợc rửa sạch, thái nhỏ

+ etanol

Hỗn hợp dịch chiết

Đun trong bếp cách thuỷ 60oC, để nguội Lọc Đo GC-MS Kết quả

Dịch chiết

Hình 2.4. Qui trình chiết cây lô hội với dung môi etanol 2.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo nano vàng a. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích nước lô hội với thể tích dung dịch HAuCl4. Để khảo sát sự phụ thuộc khả năng tạo nano vàng vào tỉ lệ thể tích nƣớc lô hội với thể tích dung dịch HAuCl4, ta cố định các thông số nhƣ sau: - Thời gian tạo nano vàng: 60 phút.

- Nhiệt độ tạo nano vàng: nhiệt độ phòng.

- Thể tích dung dịch HAuCl4: 20 mL. - Môi trƣờng pH = 4,6.

- Nồng độ dung dịch HAuCl4: 100 ppm Thể tích dịch chiết nƣớc lô hội đƣợc thay đổi lần lƣợt là 3mL, 5mL, 7mL, 9mL, 11mL. b. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tạo nano vàng Để khảo sát sự phụ thuộc khả năng tạo nano vàng vào nhiệt độ, ta cố định các thông số nhƣ sau: - Thời gian tạo nano vàng: 60 phút.

36

- Thể tích dung dịch HAuCl4: 20 mL. - Môi trƣờng pH = 4,6.

- Nồng độ dung dịch HAuCl4: 100 ppm - Thể tích dịch chiết nƣớc lô hội tối ƣu nhƣ đã nghiên cứu ở mục a.

Nhiệt độ tạo nano vàng đƣợc thay đổi lần lƣợt là 25oC, 35oC, 45oC, 55oC, 65oC, c. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ HAuCl4 Để khảo sát sự phụ thuộc khả năng tạo nano vàng vào nồng độ HAuCl4, ta cố định các thông số nhƣ sau: - Thời gian tạo nano vàng: 60 phút.

- Thể tích dung dịch HAuCl4: 20 mL. - Môi trƣờng pH = 4,6.

- Thể tích dịch chiết nƣớc lô hội tối ƣu nhƣ đã nghiên cứu ở mục a.

- Nhiệt độ tạo nano vàng tối ƣu nhƣ đã nghiên cứu ở mục b.

Nồng độ dung dịch HAuCl4 đƣợc thay đổi lần lƣợt là 100ppm, 200ppm, 300ppm, 400ppm, 500ppm. d. Khảo sát ảnh hưởng của pH Để khảo sát sự phụ thuộc khả năng tạo nano vàng vào gía trị pH, ta cố định các thông số nhƣ sau: - Thời gian tạo nano vàng: 60 phút.

- Thể tích dung dịch HAuCl4: 20 mL. - Thể tích dịch chiết nƣớc lô hội tối ƣu nhƣ đã nghiên cứu ở mục a.

- Nhiệt độ tạo nano vàng tối ƣu nhƣ đã nghiên cứu ở mục b.

- Nồng độ dung dịch HAuCl4 tối ƣu nhƣ đã nghiên cứu ở mục c.

Giá trị pH đƣợc thay đổi lần lƣợt là 3, 4, 5, 6, 7.

2.2.5. Xác định đặc trƣng của nano vàng a. Phương pháp phổ hồng ngoại khả kiến (Uv-Vis) [3], [8] Phổ UV-Vis là loại phổ electron, ứng với mỗi electron chuyển mức năng lƣợng ta thu đƣợc một vân phổ rộng, là một phƣơng pháp định lƣợng xác định nồng độ của các chất thông qua độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch.

37

Nguyên tắc: Cho chùm ánh sáng có độ dài bƣớc sóng xác định trong vùng khả kiến (Vis) hay trong vùng tử ngoại gần (UV) đi qua vật thể hấp thụ (thƣờng ở dạng dung dịch). Dựa vào lƣợng ánh sáng đã bị hấp thụ bởi dung dịch mà suy ra nồng độ (hàm lƣợng) của dung dịch đó.

Cƣờng độ tia tới: Io = IA + Ir + I Trong đó: Io là cƣờng độ ban đầu của nguồn sáng; I là cƣờng độ ánh sáng sau khi đi qua dung dịch; IA là cƣờng độ ánh sáng bị hấp thụ bởi dung dịch và Ir là cƣờng độ ánh sáng phản xạ bởi thành cuvet và dung dịch, giá trị này đƣợc loại bỏ bằng cách lặp lại 2 lần đo. Cƣờng độ hấp thụ bức xạ của 1 chất đƣợc xác định dựa trên sự giảm cƣờng độ chùm bức xạ khi chiếu qua dung dịch chứa chất khảo sát và đƣợc chứng minh bởi định luật hấp thụ ánh sáng của Bouguer-Lambert-Beer.

A  lg

I0   lC I

Trong đó: A là độ hấp thụ hoặc mật độ quang; C là nồng độ mol chất ban đầu (mol/L); l là bề dày lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua (cm);  là hệ số hấp thụ (nếu C = 1 mol/L, l = 1 cm thì  đƣợc gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam; nếu C = 1% (v/v), l = 1 cm thì  đƣợc gọi là hệ số hấp thụ riêng (E)).

Nhƣ vậy, độ hấp thụ của dung dịch tỷ lệ với nồng độ (C) và bề dày (l) của lớp chất khảo sát. Sử dụng phổ UV-Vis để xác định bƣớc sóng hấp thụ cực đại của vàng nano. Vàng nano có tính chất cộng hƣởng plasmon bề mặt, nhờ đó nó có thể hấp thụ các tia bức xạ thích hợp. b. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [3] Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lƣợng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần). Ảnh có thể đƣợc tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên màng quang học, hay đƣợc ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.

Phƣơng pháp TEM cho bức ảnh chân thực về kích thƣớc hạt của vật liệu. Nhờ cách tạo ảnh nhiễu xạ, vi nhiễu xạ và nano nhiễu xạ, kỹ thuật hiển vi điện tử truyền

38

qua còn cho biết nhiều thông tin chính xác về cách sắp xếp các nguyên tử trong mẫu, theo dõi đƣợc cách sắp xếp đó trong chi tiết từng hạt, từng diện tích cỡ micromet vuông và nhỏ hơn. Nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp đo TEM đƣợc trình bày trên Hình 2.5.

Hình 2.5. Nguyên lí hoạt động của phƣơng pháp đo TEM Sử dụng phƣơng pháp TEM cho bức ảnh chân thực về kích thƣớc hạt nano vàng tổng hợp đƣợc. c. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [3] Chiếu một chùm tia X đơn sắc có bƣớc sóng λ tới một tinh thể chất rắn. Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể đƣợc xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định, các mặt tinh thể sẽ cách nhau một khoảng đều đặn d. Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lƣới thì tinh thể mạng lƣới này giống nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt tạo ra hiện tƣợng nhiễu xạ của các tia X.

39

Mối quan hệ của khoảng cách giữa hai mặt phẳng tinh thể song song (d), góc giữa phƣơng tia X tới và mặt phẳng tinh thể (θ) và bƣớc sóng tia X (λ) đƣợc biểu diễn bởi phƣơng trình Vulf-Bragg: 2dsinθ = nλ. Trong đó: n là bậc nhiễu xạ (n = 1, 2, 3, …)

Từ định luật Bragg có thể xác định khoảng cách giữa các mặt mạng d khi đã biết λ và góc nhiễu xạ θ tƣơng ứng với vạch nhiễu xạ thu đƣợc. Mỗi một chất tinh thể khác nhau sẽ đƣợc đặc trƣng bằng các giá trị d khác nhau. So sánh giá trị d thu đƣợc với giá trị d của mẫu chuẩn cho phép ta xác định đƣợc mẫu nghiên cứu có chứa các loại khoáng vật nào.

Do vậy, phƣơng pháp nhiễu xạ tia X có thể xác định đƣợc thành phần pha tinh thể của vật liệu, kiểm tra độ tinh khiết của vật liệu, xác định đƣợc kích thƣớc tinh thể, cấu trúc tinh thể,…

Tia tới

Tia phản xạ

Hình 2.6. Các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn d. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) [3], [8] Phổ tán xạ năng lƣợng tia X (thƣờng đƣợc ký hiệu là EDX, EDS hoặc XEDS) là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tƣơng tác với chùm điện tử có năng lƣợng cao.

Nguyên tắc của phƣơng pháp EDX là dựa trên sự tƣơng tác giữa nguồn tia X kích thích và mẫu cần phân tích. Mỗi nguyên tố hoá học có một thành phần nguyên tử xác định tạo ra các vạch phổ đặc trƣng cho nguyên tố đó. Để tạo bức xạ đặc trƣng từ mẫu,

40

một dòng năng lƣợng cao của các hạt tích điện nhƣ điện tử, photon, hay chùm tia X đƣợc chiếu vào mẫu cần phân tích.

Thông thƣờng, các điện tử trong mẫu ở các trạng thái cơ bản (chƣa bị kích thích) và chúng xoay quanh hạt nhân ở các mức năng lƣợng khác nhau. Khi kích thích bằng một chùm tia X, điện tử sẽ nhảy lên một mức năng lƣợng cao hơn, tạo nên một lỗ trống điện tử, một điện tử khác từ lớp bên ngoài có năng lƣợng cao hơn nhảy vào để điền vào lỗ trống đó. Bƣớc nhảy này giải phóng năng lƣợng dƣới dạng năng lƣợng tia X tán xạ.

Hình 2.7. Nguyên tắc tán xạ tia X dùng trong phổ EDX 2.2.6. Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo nano vàng Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của dung dịch keo nano vàng đƣợc thực hiện tại phòng Vi sinh – Đại học Y-Dƣợc – Đại học Huế với phƣơng pháp thử tính kháng khuẩn bằng vòng tròn kháng khuẩn tạo ra trên điã petri, đƣợc tiến hành với vi khuẩn E. Coli

41

CHƢƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CHIẾT LÁ LÔ HỘI 3.1.1. Khảo sát ảnh hƣởng tỉ lệ khối lƣợng lô hội với thể tích nƣớc cất Khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ khối lƣợng lô hội với thể tích nƣớc cất đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi khối lƣợng lô hội lần lƣợt là 10 gam, 20 gam, 30 gam, 40 gam, 50 gam theo qui trình điều chế dịch chiết nhƣ Hình 2.1 với 100mL nƣớc cất, đun trong bếp cách thủy ở 100oC trong 30 phút.

Kết quả đo phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo tại các giá trị khối lƣợng lô hội khác nhau đƣợc trình bày ở Hình 3.1 và Bảng 3.1.

0.700 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 A

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15

50g

20g 10g

30g 40g

0.10 0.05 0.000 450.0

480

500

520

540

560

580

600

620

640

660

680

Bước sóng (nm)

10g

20g

30g

40g

50g

Hình 3.1. Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các khối lƣợng lô hội khác nhau

700.0

42

Bảng 3.1. Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị khối lƣợng lô hội khác nhau Khối lƣợng lô hội,

Giá trị mật độ quang

Bƣớc sóng hấp thụ

gam

cực đại (Amax)

cực đại ( max , nm)

1

10

0,252

554

2

20

0,300

561

3

30

0,258

562

4

40

0,221

556

5

50

0,206

558

STT

Phổ UV-Vis cho thấy sự tạo thanh hạt nano vàng khi tổng hợp từ dịch chiết cây lô hội với đỉnh hấp thụ nằm trong khoảng bƣớc sóng từ 530-550nm. Đây là các đỉnh ứng với plasmon cộng hƣởng bề mặt của nanno vàng, chứng tỏ dung dịch tạo thành là dung dịch keo nano vàng.

Kết quả ghi phổ UV-Vis cho thấy, khối lƣợng lô hội 20 gam là khối lƣợng tối ƣu cho quá trình chiết tách, nếu tăng từ 20 gam lên 50 gam thì giá trị mật độ quang giảm dần, tức hiệu suất chiết cũng giảm dần, điều này có thể đƣợc giải thích nhƣ sau: Nhƣ chúng ta đã biết, khi gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu và nƣớc, nƣớc thấm vào trong các lớp tế bào, các tế bào bị phá vỡ, giúp các chất hữu cơ trong lô hội đƣợc chiết ra ngoài theo nƣớc. Ứng với cùng một thể tích nƣớc, khi tăng khối lƣợng nguyên liệu, lƣợng các chất hữu cơ trong cây lô hội tách ra càng nhiều. Tuy nhiên, nếu khối lƣợng nguyên liệu quá nhiều, thì bề mặt tiếp xúc giữa nguyên liệu và dung môi nƣớc giảm, làm giảm hiệu suất chiết. Tóm lại, tỉ lệ khối lƣợng nguyên liệu và thể tích nƣớc tối ƣu cho quá trình tạo nano vàng là 20 gam lô hội với 100mL nƣớc.

3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian chiết Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian chiết đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi thời gian đun sôi trên bếp cách thủy lần lƣợt là 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút theo qui trình điều chế dịch chiết nhƣ Hình 2.1. với 100mL nƣớc cất, 20 gam lô hội, đun trong bếp cách thủy ở 100oC.

43

Kết quả đo phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo tại các thời gian chiết khác nhau đƣợc trình bày ở Hình 3.2 và Bảng 3.2

10p

20p

30p

40p

50p

Hình 3.2. Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các thời gian chiết khác nhau Bảng 3.2. Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các thời gian chiết khác nhau Thời gian chiết,

Giá trị mật độ quang

Bƣớc sóng hấp thụ

phút

cực đại (Amax)

cực đại ( max , nm)

1

10

0,356

532

2

20

0,363

543

3

30

0,324

555

4

40

0,295

557

5

50

0,286

557

STT

44

Dựa vào kết quả ghi phổ UV-Vis ta thấy, khi tăng thời gian đun từ 10 phút lên 20 phút thì độ hấp thụ cực đại của dung dịch keo nano vàng từ dịch chiết thu đƣợc có giá trị tăng dần, nhƣng Amax sau đó lại giảm dần khi tăng thời gian đun từ 20 phút lên 50 phút.

Có thể lí giải điều này nhƣ sau: Nhìn chung, thời gian chiết tách mỗi loại nguyên liệu phụ thuộc vào bản chất nguyên liệu, dung môi và nhiệt độ của quá trình chiết. Khi bắt đầu chiết, các chất có phân tử khối nhỏ sẽ đƣợc hòa tan và khuếch tán vào dung môi trƣớc, sau đó mới đến các chất có phân tử khối lớn. Do đó, nếu thời gian chiết xuất ngắn sẽ không chiết đƣợc các chất trong nguyên liệu rắn ban đầu hay nói cách khác khi thời gian chiết tăng thì hiệu xuất chiết cũng tăng theo, tuy nhiên, đến một ngƣỡng nhất định, việc tăng thời gian chiết, không làm tăng hiệu suất chiết mà ngƣợc lại nó còn ảnh hƣởng đến chất lƣợng dịch chiết vì có thể tạo ra các chất mà cản trở đến quá trình khử tạo nano vàng..

Tóm lại, dịch chiết tối ƣu cho quá trình điều chế dung dịch keo nano vàng là dịch chiết thu đƣợc khi chiết 20 gam lô hội với 100mL nƣớc cất trong 20 phút.

3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CÁC CHẤT HỮU CƠ CÓ TRONG DỊCH CHIẾT NƢỚC LÁ LÔ HỘI THEO PHƢƠNG PHÁP GC-MS Tiến hành chiết lô hội trong dung môi nƣớc đƣợc thực hiện nhƣ Hình 2.1, với những điều kiện tối ƣu về tỉ lệ khối lƣợng lô hội với thể tích dung môi nƣớc cũng nhƣ thời gian chiết. Sau khi có dịch chiết lô hội trong nƣớc, lấy dịch chiết thu đƣợc tiếp tục chiết lần lƣợt với các dung môi n-hexan, chloroform và etyl axetat, đo GC-MS từng phân đoạn chiết để xác định thành phần các chất hữu cơ trong mỗi phân đoạn chiết.

Quá trình chiết với lần lƣợt từng dung môi đƣợc thực hiện nhƣ Hình 2.5. Kết quả đƣợc trình bày ở Bảng 3.3; 3.4; 3.5

45

Bảng 3.3. Thành phần các chất hữu cơ đƣợc định danh trong dung môi n-hexan Kết quả % diện tích peak/tổng

STT

Tên hoạt chất

1

o-nitrotoluen

6,6

2

Neophytadiene

3,92

3

Tetrahydroionone

2,41

4

Muscalure

3,87

5

Cyclopentane, 1,1’-ethylidenebis

7,61

6

6,11-Hexadecadien-1-ol

5,78

7

E-2-dodecenal

4,95

8

Germacrance-A

48,00

9

4-Octen-3-ol, 2,2-dimethyl

3,61

10

Thiophene, 2-(2-ethylhexyl)

5,26

11

Mebutamate

7,99

diện tích peak phát hiện

Bảng 3.4. Thành phần các chất hữu cơ trong dung môi cloroform STT

Tên hoạt chất Dimethoxyrabelomycin

Kết quả % diện tích peak/tổng diện tích peak phát hiện 100

Bảng 3.5. Thành phần các chất hữu cơ đƣợc định danh trong dung môi etylaxetat Kết quả % diện tích peak/tổng

STT

Tên hoạt chất

1

Tetradecane

16,28

2

Germarane-A

66,88

3

Silacyclopent-3-ene, 3-methyl

16,84

diện tích peak phát hiện

46

3.3. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CÁC CHẤT HỮU CƠ CÓ TRONG DỊCH CHIẾT LÁ LÔ HỘI VỚI DUNG MÔI ETANOL THEO PHƢƠNG PHÁP GC-MS Kết quả đo GC-MS dịch chiết lô hội trong dung môi etanol đƣợc trình bày ở Bảng 3.6.

Bảng 3.6. Các chất hữu cơ đƣợc định danh trong dịch chiết với dung môi etanol Kết quả (% diện tích peak/tổng

STT

Tên hoạt chất

1

Germacrance-A

0,61

2

Ethanonaphthanthracene

99,39

diện tích peak phát hiện

So sánh với thành phần các chất hữu cơ trong hai dung môi ancol và nƣớc ta thấy chiết trong dung môi nƣớc cho số lƣợng các chất hữu cơ nhiều hơn.

Sự tạo thành hạt nano từ dịch chiết thực vật chƣa có cơ chế chính xác giải thích, ngƣời ta chỉ biết rằng, trong dịch chiết thực vật chứa một số hợp chất hữu cơ có tính khử, có thể khử ion kim loại thành nguyên tử kim loại đồng thời chính những phân tử chất hữu cơ này cũng là những tác nhân làm bền, tác nhân bao bọc hạt nano kim loại trong suốt quá trình hình thành để tránh sự kết tụ của các hạt nano với nhau. [35] Từ kết quả phân tích các chất có trong dịch chiết nƣớc lô hội có thể dự đoán những hợp chất có thể tham gia vào quá trình tạo nano vàng (là chất khử, chất bao bọc hạt nano hoặc đóng cả hai vai trò) nhƣ ở Bảng 3.7.

Bảng 3.7. Các chất hữu cơ có thể tham gia vào quá trình tạo dung dịch AuNP O

OH

O

H3C H3C

CH3 CH3

OH OH

O

OH

Rabelomycin

4-Octen-3-ol, 2,2-dimethyl

47

OH

H

6,11-Hexadecadien-1-ol

O

E-2-dodecenal O H2N

O

O

O

H2 N O

Mebutamate

Tetrahydroionone S

H3C

CH3

Thiophene, 2-(2-ethylhexyl) Germacrance-A

CH3

Muscalure Các chất có nhóm andehit, ancol, xeton… khử ion Au3+ trong HAuCl4 tạo thành nguyên tử Au. Cơ chế của việc làm bền hạt nano vàng bởi các chất hữu cơ có trong dịch chiết đƣợc giải thích có thể là do sự tạo thành liên kết phối trí giữa các các cặp eletron chƣa tham gia liên kết của các nguyên tử nhƣ oxi, nitơ với nguyên tử vàng hoặc do các nguyên tử vàng tạo thành đƣợc bao bọc bởi các hợp chất hữu cơ có phân tử khối lớn có trong dịch chiết. [22], [35]. Hình 3.3 trình bày cơ chế tạo nano vàng có thể có của Rabelomycin. [43], [44]

48

OH O

O

OH

O

HO

OH

O

3+

Au

1)

O

e

e

HO

OH

e

e O

3+

Au

O

e

O

2)

O

O

OH

OH

e

OH

e

e OH

O

O

O

O

O

O

O

O O

O

OH

OH

O

O

Au AA Au Au AuAu Au

O

O

HO OH

O

O

HO

OH O

O

O

O

O

O O

O

O OH

OH

O

HO

O

O

O

Hình 3.3. Cơ chế tạo nano vàng của Rabelomycin 3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NANO VÀNG 3.4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích dịch chiết lô hội với thể tích dung dịch HAuCl4 Sự thay đổi màu của dung dịch HAuCl4 sau khi thêm dịch chiết lô hội sau một thời gian nhƣ hình 3.4 cho thấy có sự hình thành của các hạt nano vàng. Lọ 1 là dung dịch HAuCl4, lọ 2 là dung dịch chiết, lọ 3 là dung dịch nano vàng.

Hình 3.4. Sự thay đổi màu của các dung dịch khi có sự tạo thành nano vàng Khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích dịch chiết lô hội với dung dịch HAuCl4 đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi thể tích dịch chiết lô hội theo thứ tự lần lƣợt là 3mL, 5mL, 7mL, 9mL, 11mL với qui trình điều chế dung dịch keo nano theo sơ đồ nhƣ Hình 2.2. với thể tích dung dịch HAuCl4 là 20mL, nồng độ 100ppm, để hệ phản ứng trong 60 phút, phản ứng đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng.

49

Kết quả đo phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo tại các giá trị thể tích dịch chiết khác nhau đƣợc trình bày ở Hình 3.4 và Bảng 3.8 0.700 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 A 0.30 0.25

5m L

0.20 0.15

3mL

11m 9mL 7mL L

0.10 0.05 0.000 450.0

480

500

3mL

5mL

520

540

560

580 nm

7mL

600

620

640

9mL

660

680

11mL

Hình 3.5. Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các thể tích dịch chiết khác nhau Bảng 3.8. Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị thể tích dịch chiết Thể tích dịch

Giá trị mật độ

Bƣớc sóng hấp thụ cực đại

chiết, mL

quang (Amax)

( max , nm)

1

3

0,5286

545

2

5

0,5289

530

3

7

0,3967

546

4

9

0,3830

541

5

11

0,3509

543

STT

700.0

50

Kết quả cho thấy khi tăng thể tích dịch chiết lô hội từ 3mL lên 5mL thì cự đại hấp thụ của dung dịch (Amax) cũng tăng theo. Ngoài ra, quan sát giá trị bƣớc sóng ta thấy, khi tăng thể tích từ 3mL lên 5mL thì đỉnh hấp thụ có xu hƣớng chuyển dịch về vùng có bƣớc sóng ngắn hơn chứng tỏ kích thƣớc của hạt nano vàng tạo ra có xu hƣớng giảm. Pic hấp thụ cực đại ứng với 3mL thể tích dịch chiết lô hội cũng tù hơn pic hấp thụ cực đại ứng với 5mL dịch chiết, chứng tỏ ở 3mL thì kích thƣớc các hạt tạo ra cũng kém đồng đều hơn ở 5mL bởi vì phổ UV-Vis mô tả sự chuyển động plasmon bề mặt của tất cả các hạt nano có trong hệ. [12] Giá trị Amax tăng có thể đƣợc giải thích nhƣ sau: Khi tăng thể tích dịch chiết lô hội, hàm lƣợng tác nhân khử cũng nhƣ tác nhân làm bền hóa tăng nên lƣợng nano vàng tạo ra trong dung dịch cũng tăng và kích thƣớc các hạt cũng nhỏ hơn vì tốc độ kết tụ các hạt giảm. Tuy nhiên sau đó giá trị Amax lại giảm dần khi tiếp tục tăng thể tích dịch chiết từ 5 mL lên 11mL là do khi tăng thể tích dịch chiết lô hội cho vào một lƣợng thể tích không đổi dung dịch HAuCl4 thì hệ dung dịch phản ứng trở nên loãng hơn làm giảm khả năng va chạm của các chất tham gia phản ứng nên tốc độ phản ứng giảm (theo qui luật về tốc độ phản ứng). Tóm lại, thể tích dịch chiết lô hội là 5mL ứng với 20mL thể tích dung dịch HAuCl4 là giá trị tối ƣu cho sự hình thành hạt nano vàng.

3.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng lên quá trình điều chế nano vàng Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng lên quá trình điều chế nano vàng đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ phản ứng theo thứ tự lần lƣợt là 25oC, 35oC, 45oC, 55oC, 65oC, với thể tích dung dịch HAuCl4 là 20mL, giá trị thể tích dịch chiết tối ƣu nhƣ đã khảo sát ở trên là 5mL, nồng độ dung dịch HAuCl4 là 100ppm, để hệ phản ứng trong 60 phút.

Kết quả đo phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng tại các giá trị nhiệt độ khác nhau đƣợc trình bày ở Hình 3.5 và Bảng 3.9,

51

0.700 0.65 0.60 0.55 0.50

35oC

0.45 o

45 C 55oC 65oC

0.40 A

0.35 0.30 0.25 0.20

25oC

0.15 0.10 0.05 0.000 450.0

480

500

25oC

520

540

35oC

560

580 nm

45oC

600

620

55oC

640

660

680

700.0

65oC

Hình 3.6. Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các nhiệt độ khác nhau Bảng 3.9. Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị nhiệt độ khác nhau Giá trị mật độ quang

Giá trị bƣớc sóng hấp

C

(Amax)

thụ cực đại ( max )

1

25

0,1582

544

2

35

0,4301

555

3

45

0,4076

558

4

55

0,3680

556

5

65

0,3087

557

STT

Nhiệt độ tạo nano vàng, 0

Kết quả cho thấy khi tăng giá trị nhiệt độ từ 250C lên 350C thì cực đại hấp thụ (Amax) của dung dịch vàng nano tăng theo. Sau đó Amax lại giảm dần khi tăng nhiệt độ từ 350C lên 650C.

52

Dựa vào giá trị bƣớc sóng tƣơng ứng với giá trị Amax, ta thấy rằng khi tăng nhiệt độ thì đỉnh hấp thụ cực đại có xu hƣớng chuyển dịch về phía bƣớc song dài hơn (chuyển dịch đỏ) tức kích thƣớc hạt nano trong dung dịch có xu hƣớng tăng dần khi tăng nhiệt độ. Nhƣ vậy, sự khác nhau trong giá trị Amax có thể đƣợc giải thích là do khi tăng nhiệt độ lên 350C, tốc độ phản ứng tăng theo (theo qui luật về tốc độ phản ứng), nhƣng khi tăng nhiệt độ lên hơn nữa thì làm tăng lƣợng dung môi bay hơi, dẫn đên mật độ các hạt nano trở nên dày đặc, tốc độ chuyển động nhiệt của các hạt nano vàng cũng trở nên nhanh, làm tăng khả năng kết tụ của các hạt nano trong dung dịch keo, dẫn đến tốc độ kết tụ trở nên nhanh hơn tốc độ phát triển hạt, chính vì thế mà gía trị mật độ quang giảm khi tăng dần nhiệt độ từ 45oC lên 65oC. Nhƣ vậy, 35oC là nhiệt độ tối ƣu đƣợc cho quá trình tạo nano vàng.

3.4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HAuCl4 Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HAuCl4 lên quá trình điều chế nano vàng đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi nồng độ HAuCl4 theo thứ tự lần lƣợt là 100ppm, 200ppm, 300ppm, 400ppm, 500ppm, với thể tích dung dịch HAuCl4 là 20mL, giá trị thể tích dịch chiết tối ƣu nhƣ đã khảo sát ở trên là 5mL, tại 35oC, để hệ phản ứng trong 60 phút .

Kết quả đo phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng tại các giá trị nồng độ HAuCl4 khác nhau đƣợc trình bày ở Hình 3.6 và Bảng 3.10

53

200ppm 100ppm 500ppm

100ppm

200ppm

300ppm

300ppm

400ppm

400ppm

500ppm

Hình 3.7. Phổ hấp thụ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các nồng độ HAuCl4 khác nhau Bảng 3.10. Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị nồng độ HAuCl4 khác nhau Nồng độ dung dịch

Giá trị mật độ

Giá trị bƣớc sóng hấp thụ

HAuCl4, ppm

quang (Amax)

cực đại ( max ,nm)

1

100

0,444

558

2

200

0,669

536

3

300

0,215

560

4

400

0,184

575

5

500

0,162

577

STT

Kết quả ghi phổ UV-Vis cho thấy khi tăng nồng độ dung dịch HAuCl4 từ 100ppm lên 200ppm thì độ hấp thụ cực đại của dung dịch (Amax) tăng và sau đó giá trị Amax lại giảm dần khi tăng nồng độ từ 200ppm lên 500ppm. Điều này có thể đƣợc giải

54

thích nhƣ sau: Khi tăng nồng độ của chất phản ứng-dung dịch HAuCl4 thì tốc độ phản ứng tăng (theo qui luật tốc độ phản ứng). Mặt khác quan sát giái trị bƣớc sóng cực đại ( bƣớc sóng ứng với đỉnh hấp thụ cực đại) thì ta thấy khi tăng nồng độ từ 100ppm lên 200ppm thì đỉnh hấp thụ cực đại có xu hƣớng chuyển dịch về vùng có bƣớc sóng nhỏ hơn và pic hấp thụ tại nồng độ 100ppm tù hơn pic hấp thụ tại nồng độ 200ppm, chứng tỏ kích thƣớc hạt nano thu đƣợc tại nồng độ 200ppm lớn hơn kích thƣớc hạt nano thu đƣợc tại nồng độ 100ppm và kích thƣớc các hạt thu đƣợc cũng đồng đều hơn vì nhƣ đã nói ở trên phổ UV-Vis mô tả sự chuyển động plasmon bề mặt của tất cả các hạt nano có trong hệ.

Tuy nhiên, khi tăng giá trị nồng độ từ 200ppm lên 500ppm thì Amax lại giảm dần vì tại nồng độ lớn hơn của dung dịch HAuCl4 thì tốc độ hình thành hạt nano tăng, mật độ các hạt cũng trở nên dày đặc, làm tăng khả năng kết tụ của các hạt nano. Hơn nữa, AuNPs tổng hợp ở nồng độ cao đƣợc biết là không ổn định do sự bất ổn định hệ keo ở cƣờng độ ion cao theo nghiên cứu[20], [18]. Mặc khác tại nồng độ cao của dung dịch HAuCl4, nồng độ của các chất khử cũng nhƣ chất làm bền hạt nano trong dịch chiết giảm đi, điều này làm cho các hạt nano vàng tạo ra không đƣợc làm bền hóa đủ dẫn đến sự tăng khả năng kết tụ của các hạt nano có trong dung dịch.

Sự giải thích này hoàn toàn phù hợp với giá trị bƣớc sóng đo đƣợc ở Bảng 3.10, cho thấy càng về sau đỉnh hấp thụ của dung dịch càng có xu hƣớng chuyển dịch về phía bƣớc sóng lớn hơn (chuyển dịch xanh) chứng tỏ kích thƣớc hạt có xu hƣớng tăng dần. Nhƣ vậy, 200ppm là giá trị nồng độ dung dịch HAuCl4 tối ƣu cho qua trình tạo nano vàng.

3.4.4. Khảo sát ảnh hƣởng của pH dung dịch Khảo sát ảnh hƣởng của pH dung dịch lên quá trình điều chế nano vàng đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi pH dung dịch lên theo thứ tự lần lƣợt là 3, 4, 5, 6, 7, với thể tích dung dịch HAuCl4 là 20mL, nồng độ dung dịch HAuCl4 là 200ppm, giá trị thể tích dịch chiết tối ƣu nhƣ đã khảo sát ở trên là 5mL, tại 35oC, để hệ phản ứng trong 60 phút.

55

Kết quả đo phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng tại các giá trị pH khác nhau đƣợc trình bày ở Hình 3.7 và Bảng 3.11

pH=5

pH=4

pH=6 pH=3

pH=7

Hình 3.8. Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị pH khác nhau Bảng 3.11. Giá trị Amax và max của các mẫu dung dịch AuNP tại các giá trị pH khác nhau STT Giá trị pH

Mật độ quang của dung dịch (Amax)

Bƣớc sóng hấp thụ cực đại ( max , nm)

1

3

0,267

570

2

4

0,536

540

3

5

0,965

526

4

6

0,242

535

5

7

0,186

550

pH cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều chế dung dịch keo nano vàng. Kết quả ghi phổ UV-Vis cho thấy giá trị pH của dung dịch mà tại đó cho giá trị độ hấp thụ cực đại của dung dịch (Amax) lớn nhất là pH=5. Điều này có thể đƣợc giải thích nhƣ sau : Phản ứng thuận nghịch của quá trình Hình thành nano vàng trong dung dịch có thể đƣợc viết nhƣ sau:

56

HAuCl4  3e  H 2O

Au  H3O  4Cl 

Từ phản ứng trên, dễ dàng thấy đƣợc rằng, trong môi trƣờng giàu axit, cân bằng trên sẽ bị dịch chuyển theo chiều nghịch. Ngƣợc lại, nếu tiến hành phản ứng trong môi trƣờng có độ kiềm cao thì cản trở đến sự hình thành nano vàng vì ion OH- sẽ tạo phức với ion Au3+ trong HAuCl4 [15], [18], [20].

Ngoài ra, quan sát giá trị bƣớc sóng cũng thấy đƣợc rằng tại pH =5 đỉnh hấp thụ cực đại có xu hƣớng chuyển dịch về phía có bƣớc sóng ngắn hơn (sự chuyển dịch đỏ) và pic hấp thụ cực đại của dung dịch cũng có xu hƣớng nhọn hơn, chứng tỏ tại giá trị pH này thì kích thƣớc các hạt tạo ra nhỏ và đồng đều hơn. Nhƣ vậy, ứng với giá trị pH=5 thì phản ứng tạo nano vàng xảy ra thuận lợi nhất.

Tóm lại, điều kiện tối ƣu co quá trình tổng hợp nano vàng là: thể tích dung dịch HAuCl4 là 20mL, nồng độ dung dịch HAuCl4 là 200ppm, giá trị thể tích dịch chiết là 5mL, tiến hành phản ứng tại 35oC, để hệ phản ứng trong 60 phút tại pH=5.

3.5. ĐẶC TRƢNG HẠT NANO VÀNG ĐÃ TỔNG HỢP 3.5.1. Kết quả đo HR-TEM Kết quả HR-TEM của hạt nano vàng đƣợc trình bày ở Hình 3.8

20nm

50nm

10nm

5nm

Hình 3.9. Ảnh HR-TEM của hạt nano vàng Kết quả HR-TEM cho thấy các hạt nano vàng hình thành chủ yếu là đa phân tán với kích thƣớc nằm trong khoảng từ 5-10nm. Một số hình ảnh của các hạt nano riêng

57

rẻ cho thấy sự ổn định của các hạt nano bởi các tác nhân làm bền hóa. Tác nhân làm bền hóa chính là các chất có mặt trong dịch chiết lô hội, chúng tạo ra một lớp phủ mạnh mẽ lên các hạt nano vàng do đó ngăn cản sự kết tụ của chúng.

3.5.2. Kết quả đo EDX Kết quả EDX của hạt nano vàng đƣợc trình bày ở Hình 3.9 Phổ EDX Hình 3.9 cho thấy tín hiệu Au mạnh và các tín hiệu khác của C, O chính là những nguyên tố của các hợp chất hữu cơ làm bền hạt nano vàng [10]

Hình 3.10. Phổ EDX của mẫu nano vàng 3.5.3. Kết quả phân tích XRD Kết quả phân tích XRD của hạt nano vàng đƣợc trình bày ở Hình 3.10 Kết quả cho thấy, xuất hiện 3 đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng tại 2  =38,10; 2  =44,30; và 2  =64,50; đây là 3 pic đặc trƣng cho mạng tinh thể lập phƣơng tâm mặt của vàng (fcc) theo chuẩn Bragg.

Kết quả này cũng phù hợp với cấu trúc tinh thể của vàng đã đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp sinh tổng hợp khác đƣợc nêu trong các nghiên cứu ở các tài liệu [19], [22], [37].

58

VNU-HN-SIEMENS D5005- Mau Au 150 140 130 120 110

90 80

d=2.3458

Lin (Cps)

100

70 60 50 40 30 20 10 0 10

20

30

40

50

60

70

2-T heta - Sc ale File: Trang-DaNang-Au.raw - Type: 2Th alone - Start: 10.000 ° - E nd: 70.000 ° - S tep: 0.030 ° - S tep time: 1.0 s - Temp.: 25.0 ° C (Room) - Anode: Cu - Creation: 05/19/18 10:14:51 04-0784 (* ) - Gold, syn - Au - Y: 60.00 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056

Hình 3.11. Phổ XRD của mẫu nano vàng 3.6. KẾT QUẢ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA DUNG DỊCH KEO NANO VÀNG Khả năng kháng khuẩn đƣợc xác định dựa trên khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn qua đƣờng kính vòng kháng khuẩn đƣợc tạo ra trên đĩa petri.

Tiến hành thử tính kháng khuẩn của ba mẫu dung dịch. Mẫu 1 là dịch chiết nƣớc cây lô hội, mẫu 2 là dung dịch HAuCl4, mẫu 3 là dung dịch keo nano vàng đƣợc điều chế từ mẫu 1 và mẫu 2 với những điều kiện tối ƣu nhƣ đã khảo sát.

Ba đĩa petri khi bắt đầu nuôi cấy vi khuẩn E.coli đƣợc ghi lại ở Hình 3.11

Hình 3.12. Đĩa Petri khi bắt đầu nuôi cấy vi khuẩn.

Sau khi nhỏ lần lƣợt 3 mẫu dung dịch 1, 2, 3 (lần lƣợt từ trái sang) và ủ trong vòng 24h kết quả thu đƣợc nhƣ Hình 3.12.

59

Mẫu 1

Mẫu 2

Mẫu 3

Hình 3.13. Kết quả thử tính kháng khuẩn của ba mẫu dung dịch Kết quả ở Hình 3.12 cho thấy mẫu dung dịch 3 có khả năng kháng khuẩn đối với dòng vi khuẩn E.coli với đƣờng kính vòng kháng khuẩn là 23mm, hai mẫu dung dịch 1 và 2 không ức chế đƣợc sự phát triển của vi khuẩn này. Nhƣ vậy có thể kết luận rằng nano vàng điều chế đƣợc có tính kháng khuẩn đối với dòng vi khuẩn E.Coli.

60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn, qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm chúng tôi rút ra các kết luận sau: 1. Các điều kiện tối ƣu để chiết lô hội với dung môi nƣớc - Thời gian chiết: 20 phút - Tỉ lệ khối lƣợng lô hội và thể tích nƣớc : 20 gam / 100 mL 2. Dịch chiết nƣớc cây lô hội có các chất hữu cơ đóng vai trò là chất khử và chất làm bền hóa cho quá trình tạo nano vàng 3. Các điều kiện tối ƣu để tổng hợp hạt nano vàng - Nồng độ dung dịch HAuCl4: 200ppm.

- Tỉ lệ thể tích dịch chiết/thể tích dung dịch HAuCl4: 5mL /20mL. - pH môi trƣờng tạo nano vàng: 5.

- Nhiệt độ tạo nano vàng: 35oC. 4. Kết quả khảo sát đặc tính của hạt nano vàng Từ kết quả đo TEM, EDX, XRD chúng tôi khẳng định đƣợc tinh thể nano vàng tổng hợp từ dung dịch HAuCl4 bằng dịch chiết nƣớc cây lô hội có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt, hạt nano vàng có dạng hình cầu với kích thƣớc từ 5nm đến 10nm.

5. Dung dịch keo nano vàng tổng hợp dƣới những điều kiện tối ƣu có khả năng kháng khuẩn đối với dòng vi khuẩn Escherichia coli KIẾN NGHỊ Nghiên cứu chế tạo hạt vàng bằng dịch chiết của các loài thực vật khác. Đánh giá khả năng kháng khuẩn của nano vàng với các dòng vi khuẩn khác.

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Việt Kim Khánh (2013), “Phương pháp tổng hợp và ứng dụng của nano vàng”, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh.

[2] Lê Thị Lành (2015), “Nghiên cứu chế tạo vàng nano và một số ứng dụng”, Luận văn tiến sĩ Hóa học, Đại Học Huế.

[3] Phạm Luận (2006), “ Phương pháp phân tích phổ nguyên tử”, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội.

[4] Hoàng Nhâm (2000), “Hóa Vô Cơ Tập III”, NXB Giáo Dục, Hà Nội.

[5] Nguyễn Hoàng Hải và Dạ Trạch (2007), Các hạt nano kim loại, Tạp chí vật lý Việt Nam, tập 1, số 1, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

[6] Ngô Võ Kế Thành, Nguyễn Đăng Giang, Lâm Quang Vinh, Huỳnh Thành Đạt, Nghiên cứu tổng hợp nano vàng và khảo sát khả năng gắn kết với kháng thể kháng vi khuẩn E. coli O15, Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 16, Số T3 – 2013.

[7] Nguyễn Khắc Thuận (2011), “Nghiên cứu tính chất điện-từ của hạt và màng mỏng Au có kích thước nano”, Luận văn thạc sĩ Vật lý Chất rắn, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội.

[8] Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hoá học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.

Tiếng Anh [9] Ajey Singh N. B. Singh (2015), “Plant-nanoparticle interaction: An approach to improve agricultural practices and plant productivity”, International Journal of Pharmaceutical Science Invention.

[10] Alaa A. A. Aljabali (2018), “Synthesis of Gold Nanoparticles Using Leaf Extract of Ziziphus zizyphus and their Antimicrobial Activity”, Nanomaterials, 8(3), pp. 174.

[11] Amit Kumar Mittal (2013), “Synthesis of metallic nanoparticles using plant extracts”, Biotechnology advances, 31, 346 – 356.

[12] Ashwani Kumar Singh and O.N. Srivastava (2015), “One-Step Green Synthesis of

62

Gold Nanoparticles Using Black Cardamom and Effect of pH on Its Synthesis”, Nanoscale research letters, 10, pp. 1055.

[13] Balaprasad Ankamwar (2010), “Biosynthesis of Gold Nanoparticles (Green-Gold) Using Leaf Extract of Terminalia Catappa”, E-Journal of Chemistry, 7(4), pp.

1334 – 1339.

[14] Barabadi (2014), “Microbial mediated preparation, characterization and optimization of gold nanoparticles”, Brazilian Journal of Microbiology, 45(4), pp. 1493 – 1501.

[15] Castillo-López (2014), “Green synthesis of Au nanoparticles using potato extract: stability and growth mechanism”, Journal of Nanoparticle Research, 16(8), pp. 1.

[16]

Hassellöv Martin (2008),

“Nanoparticle analysis and

characterization

methodologies in environmental risk assessment of engineered nanoparticles”, Ecotoxicology, 17 (5), pp. 344 – 361.

[17] Hemangi Shinde (2015), “Gold nanoparticle: as novel carrier for drug delivery”, World Journal of Pharmaceutical Research.

[18] Jayshree Nellore (2012), “Biogenic synthesis by Sphearanthus amaranthoids; towards the efficient production of the biocompatible gold nanoparticles”, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 7, pp. 123 – 133.

[19] Krishnamurthy Sneha (2014), “Yucca-derived synthesis of gold nanomaterial and their catalytic potential”, Nanoscale research letters, 19, pp. 627.

[20] Kumari (2016), “Physico-Chemical Condition Optimization during Biosynthesis lead to development of Improved and Catalytically Efficient Gold Nano Particles”, Scientific Reports, 6.

[21] Madkour L.H (2018), “Ecofriendly green biosynthesized of metallic nanoparticles: Bio-reduction mechanism, characterization and pharmaceutical applications in biotechnology industry”, Glob Drugs Therap, 3(1), pp. 1 – 11.

[22] Mahendra Rai (2013), “Potential Role of Biological Systems in Formation of

63

Nanoparticles: Mechanism of Synthesis and Biomedical Applications”, Current Nanoscience, 9(11), pp. 576-587.

[23] Manoj Kumar Choudhary and Jyoti KatariaShweta Sharma (2017), “A biomimetic synthesis of stable gold nanoparticles derived from aqueous extract of Foeniculum vulgare seeds and evaluation of their catalytic activity”, Applied Nanoscience.

[24] Milton Cordeiro (2016), “Gold Nanoparticles for Diagnostics: Advances towards Points of Care”, Diagnostics, 6(4), 43.

[25] Mohit Rawat (2016), “A review on green synthesis and characterization of silver nanoparticles and their applications: A green nanoworld”, World Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 5(7), pp.730 – 762.

[26] Moyano (2013), “Preparation of 2 Nm Gold Nanoparticles for in Vitro and in Vivo Applications”, Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.), 1025, pp. 3–8.

[27] Partha Ghosh (2008), “Gold nanoparticles in delivery applications”, Advanced Drug Delivery Reviews, 60, 1307 – 1315.

[28] Pietro Calandra (2010), “Metal Nanoparticles and Carbon-Based Nanostructures as Advanced Materials for Cathode Application in Dye-Sensitized Solar Cells”, International Journal of Photoenergy.

[29] Politi J (2015), “Original Covalent Approach for Gold Nanorods Immobilization onto Acid-Terminated-Cysteamine Self-Assembled Monolayers for FT-SPR Biosensor Applications”, J Biosens Bioelectron, 6(2), pp. 167.

[30] Prema P. and Thângpandiyan S. (2013), “In-vitro antibacterial activity of gold nanoparticles capped with polysaccharide stabilizing agent”, International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, 5 (1), pp.310 – 314.

[31] Reiss Gunter and Hutten Andreas (2010), “Magnetic Nanoparticles”, In Sattler, Klaus D. Handbook of Nanophysics: Nanoparticles and Quantum Dots, pp. 1 – 2.

[32] Rose M Cooper (2015), “Behavior of Gold Nanoparticles in Physiological

64

Environment and the Role of Agglomeration and Fractal Dimension”, Wright State University.

[33] Sangiliyandi Gurunathan (2013), “Multiple Strategic approaches for green synthesis and application of silver and gold nanoparticles”, Centre for Agriculture and Bioscience International.

[34] ShakeelAhmed (2016), “Biosynthesis of gold nanoparticles: A green approach”, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 161, pp. 141-153.

[35] Sonia Maraya Tiquia-Arashiro and Debora F Rodrigues (2016), “Extremophiles: Applications in Nanotechnology”, Springer International Publishing.

[36] Surjushe (2008), “Aloe vera: a short review”, Indian Journal of Dermatology, 53(4), pp. 163 – 166.

[37] Teimuri-Mofrad

(2017), “Green synthesis of gold nanoparticles using plant

extract”, Nanochem Res. [38] XiaohuaHuang, Mostafa A.El-Sayed (2010), “Gold nanoparticles: Optical properties and implementations in cancer diagnosis and photothermal therapy”, Journal of Advanced Research, 1(1), pp. 13 – 28.

[39] Zhen W. (2013), “Plasmon-resonant gold nanoparticles for cancer optical imaging”, Science China: Physics, Mechanics Astronomy, 56, pp. 506 – 513.

[40] Zoraida P Aguilar (2014), “Gold nanoparticles: various methods of synthesis and antibacterial applications”, Frontiers in Bioscience, 19, pp. 1320-1344.

[41] Zygmunt Sadowski (2013), “Green synthesis of silver àn gold nanoparticles using plant extracts”, Centre for Agriculture and Bioscience International.

Trang Web [42] https://vi.wikipedia.org/wiki/L%C3%B4_h%E1%BB%99i [43] https://vi.wikipedia.org/wiki/Escherichia_coli

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Phổ GCMS của dịch chiết trong dung môi hexan

Phụ lục 2. Phổ GCMS của dịch chiết trong dung môi cloroform

Phụ lục 3. Phổ GCMS của dịch chiết trong dung môi etylaxetat

Phụ lục 4. Phổ GCMS của dịch chiết trong dung môi etanol