TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 1 TỔNG HỢP PHỨC CHẤT GLUTAMAT BORAT NEODIM VÀ THỬ NGHIỆM LÀM PHÂN BÓN VI LƯỢNG CHO CÂY VỪNG SYNTHESIS OF NEODYMIUM GLUTAMATE MOLYPDATE COMPLEX AND ITS APPLICATION TO THE PRODUCTION OF THE MICRONUTRIENTS FERTILIZER FOR SEASAMUM INDICUM Phạm Văn Hai – Nguyễn Tấn Lê Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ mol Nd 3+ : H 2 Glu : H 3 BO 3 , thời gian, nhiệt độ, pH dung dịch đến hiệu suất phản ứng tổng hợp phức chất và cấu trúc của phức chất được xác định với phương pháp phân tích nhiệt và quang phổ hồng ngoại đã được nghiên cứu. Kết quả thu được là phức chất rắn đa phối tử glutamat borat neodim với thành phần H 2 [Nd(Glu)(BO 3 )].3H 2 O có hoạt tính sinh học. Với phức chất này ở nồng độ 50 ppm sẽ có tác dụng kích thích tốt nhất cho sự nảy mầm và sinh trưởng phát triển cho cây vừng. ABSTRAST This paper studies the influence of some factors such as molar ratio of Nd 3+ : H 2 Glu : H 3 BO 3 , time, temperature and pH of the solution to the reaction performance and the structure of the complex substance by means of the IR spectra and thermal analysis methods. The synthesized result is the multi-ligands solid complex substance whose component H 2 [Nd(Glu)(BO 3 )].3H 2 O has a biological activity. The substance at the concentration of 50ppm is applied to improve the stimulating process of the sprout and the growth of seasamum indicum. 1. Mở đầu Phức chất của nguyên tố đất hiếm với một số axit hữu cơ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong y học, nông nghiệp, công nghệ sinh học Các kết quả nghiên cứu đã khẳng định phức chất của nguyên tố đất hiếm với các axit hữu cơ có hoạt tính sinh học [2,6]. Trong công trình [1] chúng tôi đã nghiên cứu và tổng hợ p phức rắn của nguyên tố đất hiếm với axit L-glutamic. Trong bài báo này, chúng tôi thông báo kết quả nghiên cứu tổng hợp phức rắn Glutamat Borat Neodim và khảo sát hoạt tính sinh học của chúng đối với cây vừng. 2. Phần thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm bằng cách tạo kết tủa Nd(OH) 3 với dung dịch NH 3 dư từ dung dịch ban đầu Nd(NO 3 ) 3 đã được xác định nồng độ, rửa kết tủa nhiều lần bằng nước cất để làm sạch NH 3 có trong kết tủa. Tính toán lượng dung dịch axit L-Glutamic và axit boric theo tỉ lệ mol cần thiết so với Nd 3+ rồi cho vào cốc thuỷ tinh có chứa kết tủa. Sau một thời gian nhất định, lấy mẫu để chuẩn độ lượng Nd 3+ còn lại sau phản ứng bằng DTPA, với chất chỉ thị Arsenazo(III), trong môi trường đệm pH = 4,2. Từ đó tính được TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 2 hiệu suất của phản ứng, cấu trúc của phức tổng hợp được khảo sát bằng phương pháp hồng ngoại và phân tích nhiệt DTA [7]. Hoạt tính sinh học của phức chất được thăm dò bằng cách khảo sát ảnh hưởng của phức chất đến sự một số chỉ tiêu sinh lý sinh hóa cũng như chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển và hàm lượng dầu của hạt vừng [3,4,5]. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Tổng hợp phức rắn glutamat borat neodim Trên cơ sở các điều kiện tối ưu của phản ứng tạo phức giữa axit L-glutamic và axit boric với neodim đã khảo sát và xác định [1], chúng tôi tiến hành tổng hợp phức chất rắn glutamat borat neodim (Nd-Glu-B) như sau : Dùng pipet lấy 20ml dung dịch Nd(NO 3 ) 3 cho vào ống ly tâm, tiến hành kết tủa hidroxit neodim bằng NH 4 OH với một lượng hơi thừa để kết tủa hết Nd 3+ bằng cách nhỏ từ từ dung dịch amoniac trong khi khuấy bằng đũa thủy tinh để tạo kết tủa bông (sau khi khuấy, để lắng phần nước trong có pH khoảng 9). Dùng nước cất rửa sạch kết tủa bằng phương pháp gạn kết hợp ly tâm cho đến khi nước rửa có pH 7. Chuyển toàn bộ kết tủa Nd(OH) 3 mới sinh vào cốc thủy tinh dung tích 100ml chứa sẵn lượng chính xác 20ml dung dịch H 2 Glu 0,05M và 62,1mg H 3 BO 3 99,5%, dùng dung dịch NaOH loãng điều chỉnh pH của dung dịch hỗn hợp về giá trị pH = 6,0. Nâng nhiệt độ lên 60 0 C và tiến hành khuấy trộn trên máy khuấy từ có bếp ổn nhiệt trong thời gian 3 giờ. Cô hỗn hợp phản ứng ở 60 - 70 0 C trên bếp cách thủy cho đến khi xuất hiện váng trong suốt trên bề mặt. Để nguội, kết tủa sẽ dần tách ra, lọc lấy kết tủa, rửa bằng etanol tuyệt đối và làm khô trong bình hút ẩm. Phức glutamat borat neodim tổng hợp được là một chất rắn màu hồng nhạt. 3.2. Xác định phức rắn Nd-Glu-B bằng quang phổ hồng ngoại Phổ hấp thụ hồng ngoại của axit L-glutamic và phức glutamat borat neodim được ghi trên máy Impact 410-Nicolet (Mỹ) trong vùng 4000 - 400cm 1 Kết quả được chỉ ra trên bảng 1, hình 1 và hình 2. Bảng 1. Các tần số hấp thụ chính của các hợp chất Hợp chất H 2 Glu - 3060,35 2084,83 1644,64 - 1512,6 7 1419,19 H 2 [Nd(Glu) (BO 3 )].3H 2 O 3404,65 - 1623,75 1550,90 - 1405,18 Phổ hấp thụ hồng ngoại của phức chất Nd-Glu-B khác với phổ của axit L- glutamic tự do về hình dạng cũng như vị trí của các dải hấp thụ đặc trưng. Điều này cho thấy sự tạo phức đã xảy ra giữa ion Nd 3+ với axit glutamic và axit boric. Trên phổ hồng ngoại của phức Nd-Glu-B có sự chuyển dịch lớn tại nhóm NH 3 + từ 3060,35cm 1 (của axit L-glutamic) đến 3404,65cm 1 ứng với dao động hóa trị của nhóm NH bão hòa, chứng tỏ có sự phối trí giữa Nd và NH 2 gây ra sự chuyển dịch này. Sự mất đi của cực TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 3 đại hấp thụ ở 2084,83cm 1 ứng với dao động hóa trị của nhóm NH 3 + cũng cho thấy của sự tạo phức. Sự dịch chuyển giảm giá trị và tương ứng từ 1644,64cm 1 và 1419,19cm 1 trong phổ của L-glutamic tự do đến 1623,75cm 1 và 1405,18cm 1 chứng tỏ nhóm cacboxyl của axit L-glutamic đã phối trí với ion Nd 3+ . Sự xuất hiện trong phổ của phức Nd-Glu-B dải hấp thụ ở 1354,74cm 1 ứng với dao động hóa trị của liên kết BO và dải hấp thụ ở 987,65cm 1 ứng với dao động biến dạng của liên kết BOH cũng chứng tỏ axit boric đã tham gia tạo phức. Hình 2. Phổ hấp thụ hồng ngoại của phức glutamat borat neodim Hình 1. Phổ hấp thụ hồng ngoại của axit L-glutamic TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 4 3.3. Xác định phức rắn Nd-Glu-B bằng phân tích nhiệt Giản đồ phân tích nhiệt của phức Nd-Glu-B được ghi trên máy Shimadzu TA50 (Nhật Bản). Tốc độ nâng nhiệt là 10 0 C trong 1 phút ngoài không khí, ở khoảng nhiệt độ 30-700 0 C [1]. Kết quả nghiên cứu được trình bày ở hình 3, hình 4 và bảng 2. Bảng 2. Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của phức Nd-Glu-B Công thức giả thiết Nhiệt độ tách hoặc phân hủy, 0 C Hiệu ứng nhiệt Độ giảm khối lượng, % Dự đoán cấu tử tách hoặc phân hủy LT TN H 2 [Nd(Glu)(BO 3 )].3H 2 O 30-100 Thu nhiệt 13,370 13,818 3H 2 O 100-440 Tỏa nhiệt 21,542 18,795 Glu 2 440-700 2,105 65,088 65,282 Còn lại 1/2(Nd 2 O 3 +B 2 O 3 )+5C Giản đồ phân tích nhiệt của phức Nd-Glu-B cho thấy trên đường cong DTA có một hiệu ứng thu nhiệt ở 61,7 0 C và một hiệu ứng tỏa nhiệt ở 382,93 0 C. Giản đồ TGA của phức chỉ ra rằng quá trình phân hủy phức Nd-Glu-B có thể chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên hoàn tất tại 100 0 C ứng với việc giảm 13,808% khối lượng. Khối lượng giảm nầy phù hợp với giá trị lý thuyết của 13,370% Hình 3. Giản đồ DTA và TGA của phức glutamat borat neodim TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 5 khối lượng tương ứng với 3 phân tử nước tách ra. Sự có mặt của hiệu ứng thu nhiệt ở 61,7 0 C chứng tỏ trong phức chất có nước kết tinh. Giai đoạn thứ hai kết thúc ở 700 0 C ứng với 18,975% khối lượng giảm xuống khi nhiệt độ lên đến 440 0 C và từ 440 0 C đến 700 0 C ghi nhận sự mất đi 2,105% khối lượng. Giai đoạn này tương ứng với sự phân hủy dần dần ion Glu 2 . Sau 2 giai đoạn, khối lượng còn lại là 65,282% tương ứng với khối lượng tổng cộng (65,088%) của 1/2(Nd 2 O 3 +B 2 O 3 )+6C. Từ các giản đồ phân tích nhiệt, quang phổ hồng ngoại và những phân tích nêu trên, chúng tôi dự đoán phức chất của neodim với axit L-glutamic và axit boric tổng hợp được có thành phần là H 2 [Nd(Glu)(BO 3 )].3H 2 O. Trong đó, các axit glutamic và boric liên kết với Nd 3+ qua nguyên tử N của nhóm NH 2 cùng với nguyên tử O của nhóm cacboxyl COO và nhóm borat BO 3 3 . 3.4. Thăm dò hoạt tính sinh học của phức rắn glutamat borat neodim Chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm tác động của phức Nd-Glu-B đối với quá trình sinh trưởng phát triển, sinh lý và năng suất của cây vừng. Thí nghiệm được tiến hành theo phương pháp trồng cây trong chậu. Sau khi thăm dò nồng độ thích hợp của phức Nd-Glu-B thông qua theo dõi tỉ lệ nảy mầm của hạt, dùng dung dịch ở nồng độ này phun trên lá ở các giai đoạ n phát triển 3 lá, 5 lá, 7 lá và kết thúc ra hoa. 3.4.1. Ảnh hưởng của phức glutamat borat neodim đến sự nảy mầm của vừng: Ngâm hạt vừng trong dung dịch phức Nd-Glu-B ở các nồng độ từ 25ppm đến 100ppm cho thấy ở nồng độ 50ppm sau các khoảng thời gian ngâm hạt 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ đều cho tỉ lệ nảy mầm cao nhất. Chúng tôi chọn nồng độ phức Nd-Glu-B 50ppm để xử lý thí nghiệm. 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của phức Nd-Glu-B đến một số chỉ tiêu sinh trưởng phát triển của cây vừng Theo dõi chiều cao cây, diện tích lá, trọng lượng tươi và trọng lượng khô của cây vừng ở giai đoạn cây được 7 lá, thu được kết quả ở bảng 3. Bảng 3. Ảnh hưởng của phức Nd-Glu-B đến các chỉ tiêu sinh trưởng ở giai đoạn 7 lá Chiều cao (cm) Diện tích lá (dm 2 ) Trọng lượng tươi (g) Trọng lượng khô (g) Đối chứng 33,97 3,02 7,00 0,16 39,11 0,17 3,06 0,04 Nd-Glu-B 38,78 2,11 12,07 0,16 66,35 0,33 5,03 0,33 Kết quả phân tích cho thấy: khi vừng được phun bổ sung dung dịch phức Nd- Glu-B sẽ làm tăng chiều cao của cây và diện tích lá lớn hơn so với đối chứng, ở giai đoạn 7 lá chiều cao tăng 14,16%, diện tích lá tăng 72,43% so với đối chứng. Sinh khối tươi tăng 69,65% và sinh khối khô tăng 64,38% cao hơn so với đối chứng. Điều này được giải thích là do trong suốt quá trình sinh trưởng, tổ hợp phức Nd và B đã có tác động đến hoạt tính của các enzim tham gia trong sự tổng hợp các chất TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 6 cần thiết cho hoạt động của mô phân sinh, làm tăng quá trình phân bào và lớn lên của toàn bộ cơ thể cây vừng. Theo dõi thời điểm ra hoa và số lượng hoa/cây của cây vừng dưới ảnh hưởng của phức chất Nd-Glu-B, chúng tôi thu được kết quả trình bày ở bảng 4 và hình 4. Bảng 4. Ảnh hưởng của Nd-Glu-B đến thời điểm ra hoa và số lượng hoa/cây Thời điểm ra hoa (ngày thứ) Số hoa/cây (sau 10 ngày ra hoa) Đối chứng 39,34 3,06 7,39 0,38 Nd-Glu-B 34,00 1,53 10,04 0,19 Kết quả ở bảng 4 cho thấy dưới tác động của Nd-Glu-B đã làm cho thời điểm ra hoa đầu tiên của cây vừng được rút ngắn, sớm hơn đối chứng gần 5 ngày. Sau 10 ngày ra hoa, số lượng hoa ở công thức Nd-Glu-B tăng 35,86% so với đối chứng. Điều này chứng tỏ dưới ảnh hưởng của tổ hợp phức chất đất hiếm Nd và nguyên tố vi lượng B, đ ã thúc đẩy mạnh quá trình phát triển cơ quan sinh sản của cây vừng. 3.4.3. Ảnh hưởng của phức Nd-Glu-B đến một số chỉ tiêu sinh lý của cây vừng Phân tích cường độ thoát hơi nước ở lá (vào buổi trưa, ở nhiệt độ 31 0 C), hàm lượng diệp lục, cường độ quang hợp, hoạt tính của enzim catalaz, cường độ hô hấp của cây vừng ở giai đoạn 9 lá dưới ảnh hưởng của Nd-Glu-B, thu được kết quả trình bày ở bảng 5. Bảng 5. Ảnh hưởng của Nd-Glu-B đến một số chỉ tiêu sinh lý của cây vừng Chỉ tiêu phân tích Đối chứng Nd-Glu-B Cường độ thoát hơi nước (mg/dm 2 giờ) 1,01 0,75 1,85 0,07 Hàm lượng diệp lục tổng số a+b (mg/g lá tươi) 1,94 0,02 2,22 0,01 Cường độ quang hợp (mg/dm 2 /giờ) 0,68 0,12 1,29 0,35 Hoạt tính của enzim catalaz ( M H 2 O 2 /g/phút) 3,85 0,59 5,44 0,17 Cường độ hô hấp (mg CO 2 /g/giờ) 1,13 0,13 1,47 0,13 Kết quả phân tích cho thấy khi xử lý Nd-Glu-B đã thúc đẩy cường độ thoát hơi nước ở lá vừng, làm tăng hàm lượng diệp lục tổng số, tăng cường độ quang hợp, tăng hoạt tính của enzim catalaz, tăng cường độ hô hấp ở lá so với đối chứng. Điều này là cơ sở để dẫn tới sự tích lũy các chất dự trữ và hình thành năng suất Hình 4. Cây vừng trồng trong chậu ở giai đoạn ra hoa Đối chứng Nd-Glu-B TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 7 hạt ở giai đoạn sau. 3.4.4. Ảnh hưởng phức vi lượng-đất hiếm đến năng suất của cây vừng Dưới ảnh hưởng của việc xử lý Nd-Glu-B, chúng tôi thu được số lượng quả/cây, số hạt chắc/cây, trọng lượng 1.000 hạt, trọng lượng hạt/cây trình bày ở bảng 6. Bảng 6. Ảnh hưởng của Nd-Glu-B đến năng suất cây vừng Chỉ tiêu phân tích Số lượng quả/cây Số hạt chắc/cây Trọng lượng 1.000 hạt(g) Trọng lượng hạt/cây (g) Đối chứng 29,0 2,1 2004,4 14,1 2,41 0,15 4,83 0,15 Nd-Glu-B 39,2 1,2 2788,8 13,3 2,51 0,31 6,75 0,31 Kết quả thu được cho thấy: Số lượng quả ở các lô thí nghiệm khi thu hoạch đều cao hơn đối chứng, tăng được 35,17% . Tổng số hạt/cây nhiều, quả vừng to hơn, múi to hơn; trong khi đó ở mẫu đối chứng thì quả vừng dài, số múi ít. Trọng lượng 1000 hạt ở lô thí nghiệm cao hơn đối chứng 4,15%. Góp phần cải thiện được kích thước và trọng lượng của hạt so với bình thường. Việc xử lý bằng phức chất Nd-Glu-B đã có tác động làm tăng năng suất hạt/cây so với đối chứng, trọng lượng hạt/cây đạt kết quả khá cao, tăng 39,75% so với đối chứng. 3.4.5. Ảnh hưởng của phức đất hiếm-vi lượng đến hàm lượng dầu của hạt vừng Kết quả phân tích hàm lượng chất béo tổng số ở hạt của các lô vừng thí nghiệm được trình bày ở bảng 7. Bảng 7. Ảnh hưởng của phức glutamat borat neodim đến hàm lượng dầu (% trọng lượng khô) của hạt vừng. Công thức ĐC 50,41 0,26 Nd-Glu-B 54,15 0,35 Khi xử lý mẫu với dung dịch phức chất glutamat borat neodim đã làm tăng hàm lượng chất béo tổng số trong hạt lên 7,4% trọng lượng hạt. 4. Kết luận Qua nghiên cứu tổng hợp phức glutamat borat neodim và thử nghiệm làm phân bón vi lượng cho cây vừng, chúng tôi thu được một số kết quả sau : 1. Đã tìm được các điều kiện tối ưu về môi trường, nhiệt độ, thời gian phản ứng để tổng hợp phức chất rắn glutamat borat neodim, đồng thời các phương pháp phân tích nhiệt vi sai, quang phổ hồng ngoại đã khẳng định sự tồn tại của phức rắn và dự đoán TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 8 thành phần của phức tương ứng là H 2 [Nd(Glu)(BO 3 )].3H 2 O. 2. Đã thử nghiệm ảnh hưởng của phức chất rắn glutamat borat neodim đến đời sống cây vừng: làm tăng tỉ lệ nảy mầm, tăng cường các chỉ tiêu sinh trưởng phát triển, tăng cường các quá trình sinh lý theo hướng thuận lợi; tăng năng suất và chất lượng hạt của cây vừng. Từ những kết quả nêu trên, chúng tôi thấy rằng phức chất rắn glutamat borat neodim có khả năng làm phân bón vi lượng cho cây vừng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Hai. Nghiên cứu sự tạo phức rắn của Neodim với axit L-Glutamic. Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 6 (23), 2007. [2] Nguyễn Trọng Uyển, Nguyễn Đình Bảng, Nghiên cứu hoạt tính sinh học của phức chất trong nông nghiệp, Tạp chí Khoa học trường Đại học KHTN-ĐHQG Hà Nội, Số 4, tr. 19-23, 1995. [3] Dương Văn Đảm, Nguyên tố vi lượng và Phân vi lượng, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1994. [4] Nguyễn Tấn Lê, Nghiên cứu ảnh hưởng của các chất có hoạt tính sinh học trong nước dừa đến đời sống cây vừng ở vụ hè trồng tại Quảng Nam và Thành phố Đà Nẵng, Đề tài NCKH cấp Bộ - Đại học Đà Nẵng, 2005. [5] Nguyễn Xuân Lai, Nguyễn Văn Luật, Đặng Kim Sơn, Nghiên cứu và sản xuất vừng ở Đồng bằng sông Cửu Long, Tạp chí sinh học 4, 1995. [6] Yang Zupei, Zhang Banglao, Yu Yueping, Zhang Hongyu. Journal of Shaanxi Normal University, Vol. 26, No. 1, 1998. [7] Akateva M.E., Erofeeva O.S., Dobrynina N.A., Ivanova N.A., Efimenko I.A., Interaction of Pd(II) with Glutamic Acid, Russian Journal of Coordination Chemistry, 30(8), pp. 584-590, 2004. . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 1 TỔNG HỢP PHỨC CHẤT GLUTAMAT BORAT NEODIM VÀ THỬ NGHIỆM LÀM PHÂN BÓN VI LƯỢNG CHO CÂY VỪNG SYNTHESIS OF NEODYMIUM GLUTAMATE. dịch phức chất glutamat borat neodim đã làm tăng hàm lượng chất béo tổng số trong hạt lên 7,4% trọng lượng hạt. 4. Kết luận Qua nghiên cứu tổng hợp phức glutamat borat neodim và thử nghiệm làm. lợi; tăng năng suất và chất lượng hạt của cây vừng. Từ những kết quả nêu trên, chúng tôi thấy rằng phức chất rắn glutamat borat neodim có khả năng làm phân bón vi lượng cho cây vừng. TÀI