Nghiên cứu chế tạo vàng nano và một số ứng dụng Lê Thị Lành.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC LÊ THỊ LÀNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀNG NANO VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số: 62.44.01.19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC HUẾ, 2015 Công trình được hoàn thành tại Khoa Hóa, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Người hướng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Trần Thái Hòa 2. PGS. TS. Nguyễn Quốc Hiến Giới thiệu luận án 1: Giới thiệu luận án 2: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Huế chấm luận án tiến sĩ họp tại ………………………………………………. vào hồi ngày tháng năm MỞ ĐẦU Vàng nano là một trong những vật liệu kích thước nano đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước bởi những tính chất quang học độc đáo của chúng, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) [35], [39], [81], [93] và những ứng dụng to lớn của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như làm xúc tác [4], [19], [87], điện hóa [26], [45], [104, cảm biến sinh học [40], [93], khuếch đại tán xạ Raman bề mặt (surface enhanced Raman scattering, SERS) [32], đặc biệt là trong y học để chẩn đoán và điều trị ung thư [18], [39], [40], [126]. Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp khác nhau được nghiên cứu để tổng hợp vàng nano như phương pháp chiếu xạ [1], [23], [65], [66], phương pháp khử hóa học [4], [12], [43], khử sinh học [13], [43], phương pháp điện hóa [63], [122], phương pháp quang hóa [70], phương pháp phát triển mầm [10], [17], [40], [115], [127], Mỗi phương pháp đều tạo ra các hạt vàng nano với hình dạng, kích thước khác nhau như dạng cầu, dạng thanh, dạng sợi, hình tam giác, hình lăng trụ, hình tứ diện, hình lập phương, [28], [70]. Chẳng hạn, để tổng hợp ra vàng nano dạng cầu thì phương pháp phổ biến nhất là sử dụng tác nhân khử hóa học như NaBH 4 hay natri citrate [63]. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là sử dụng các tác nhân độc hại, gây ảnh hưởng đối với môi trường. Gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng "phương pháp xanh” (green method) [13], [37], [80], [92] để tổng hợp vàng nano dạng cầu với mục đích khắc phục hạn chế nói trên. Trong khi đó, để tổng hợp vàng nano dạng thanh thì phương pháp được cho là tối ưu nhất cho đến thời điểm hiện tại là phương pháp phát triển mầm [70], [93], [96]. Sản phẩm tạo thành từ phương pháp này có độ đơn phân tán, có thể kiểm soát được tỷ lệ dài/ngang (tỷ lệ cạnh) bằng cách thay đổi các yếu tố ảnh hưởng [70], [93], [96]. Nhiễm bẩn melamine trong sữa gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của trẻ em và là một vấn đề thu hút sự chú ý của đông đảo cộng đồng xã hội [12], [20], [22], [44]. Do đó, việc xác định melamine trong thực phẩm nói chung và trong sữa nói riêng là điều hết sức cần thiết. Cho đến nay, các phương pháp thường được sử dụng, đó là sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS) [41], sắc ký lỏng ghép nối khối phổ (LC/MS) [41], [95], sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) [85], ELISA [49], [95]. Nhìn chung, những phương pháp này có độ chính xác cao nhưng yêu cầu thiết bị đắt tiền, tốn nhiều thời gian và phải có chuyên viên thực hiện. Gần đây, một số tác giả trên thế giới đã tìm ra phương pháp mới, sử dụng vàng nano để xác định melamine với ưu điểm rẽ, nhanh, đơn giản và độ nhạy cao [32], [33], [36]. Dựa vào sự thay đổi màu của dung dịch vàng nano khi có mặt melamine, có thể định tính melamine. Đồng thời, có thể định lượng hàm lượng melamine trong sữa dựa vào phép đo trắc quang. Các hạt vàng nano được tổng hợp từ các phương pháp khác nhau đã được sử dụng cho mục đích này. Tuy nhiên, việc sử dụng vàng nano để xác định melamine vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Phương pháp von-ampe hòa tan là một phương pháp phân tích điện hóa hiện đại với nhiều ưu điểm như chi phí thấp, độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, độ chọn lọc cao. Điện cực làm việc thường được sử dụng là điện cực thủy ngân với ưu điểm là có khả năng tạo hỗn hống được với nhiều kim loại đồng thời khoảng thế hoạt động về phía âm lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là dễ tắc mao quản và độc tính cao. Do vậy, xuất hiện ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu biến tính điện cực để khắc phục hạn chế này, trong đó điện cực biến tính vàng nano đang thu hút sự quan tâm đáng kể của nhiều nhà khoa học bởi những tính chất độc đáo của nó khi ở kích thước nano. Hiện nay, trên thế giới, các nhà khoa học đã chế tạo thành công điện cực biến tính vàng nano để xác định một số ion kim loại và hợp chất hữu cơ [45], [62], [98]. Trong đó, việc xác định axit uric trong các đối tượng sinh học đang nhận được sự quan tâm lớn bởi vì nồng độ axit uric trong mẫu huyết thanh, nước tiểu sẽ giúp cho chúng ta biết dấu hiệu của một số bệnh, đặc biệt là bệnh gout. Hiện nay, hiện tượng kháng thuốc của vi khuẩn đang trở nên ngày càng phổ biến. Do vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng các hạt nano kim loại với mục đích ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Đã có một số công bố tổng hợp vàng nano từ các dịch chiết quả nho, hoa hướng dương, trà, và sử dụng vàng nano để ức chế vi khuẩn với nhiều khả quan [11], [13], [24], [52], [55]. Tuy nhiên, nghiên cứu kháng khuẩn của vàng nano cũng chưa được phát triển đầy đủ. Mặc dù vàng nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề mới mẻ, hứa hẹn nhiều khám phá mới từ chúng. Trong xu thế đó, tại Việt Nam hiện nay cũng có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tổng hợp vàng nano cũng như khảo sát các ứng dụng của chúng. Tuy nhiên, chưa có một công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống quá trình tổng hợp vàng nano cũng như các yếu tố ảnh hưởng. Do vậy, tiếp tục đi sâu nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các ứng dụng của chúng là rất cần thiết. Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài: ″Nghiên cứu chế tạo vàng nano và một số ứng dụng”. Những điểm mới của luận án: Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu có hệ thống về tổng hợp và khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu vàng nano. Lần đầu tiên sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp vàng nano dạng cầu. Ngoài ra kết quả cũng thu được một vài điểm mới về khả năng xác định melamine trong sữa, biến tính điện cực với giới hạn phát hiện thấp cũng như khả năng kháng khuẩn tốt của vàng nano đặc biệt là vàng nano dạng thanh. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Phần tổng quan giới thiệu chung về vật liệu vàng nano, chitosan, melamine, biến tính điện cực vàng nano và khả năng kháng khuẩn của vàng nano. CHƯƠNG 2. NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. MỤC TIÊU Tổng hợp vật liệu vàng nano dạng cầu, dạng thanh và một vài ứng dụng. 2.2. NỘI DUNG - Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng cầu (GNP) bằng phương pháp khử sử dụng WSC làm chất khử đồng thời làm chất ổn định. - Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng thanh (GNR) bằng phương pháp phát triển mầm sử dụng cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) làm chất bảo vệ. - Nghiên cứu sử dụng vàng nano để xác định melamine trong sữa. - Nghiên cứu chế tạo điện cực biến tính vàng nano để phân tích axit uric trong huyết thanh và nước tiểu. - Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano. 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng các phương pháp: UV-Vis, UV-Vis/DR, XRD, TEM, FT-IR, EDX, đo độ nhớt. 2.4. THỰC NGHIỆM Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng cầu bằng phương pháp khử sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử và ổn định. Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng thanh bằng phương pháp phát triển mầm. Nghiên cứu sử dụng vàng nano để xác định melamine trong sữa. Nghiên cứu biến tính điện cực vàng nano để xác định axit uric bằng phương pháp von-ampe hòa tan anot. Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. TỔNG HỢP VÀNG NANO DẠNG CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ SỬ DỤNG CHITOSAN TAN TRONG NƯỚC LÀM CHẤT KHỬ VÀ CHẤT ỔN ĐỊNH 3.1.1. Điều chế chitosan tan trong nước (WSC) Từ kết khả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng N-acetyl hóa và phản ứng với H 2 O 2 ,chọn điều kiện thích hợp để điều chế WSC là: thời gian phản ứng N-acetyl hóa là 2 giờ và thời gian phản ứng với H 2 O 2 là 3 giờ. Hình ảnh của chitosan và sản phẩm được trình bày trên hình 3.4. Hình 3.4. Chitosan (a), bột WSC (b) và dung dịch WSC (c) 3.1.2. Tổng hợp vàng nano dạng cầu (GNP) 3.1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng a) Ảnh hưởng của thời gian khử Phổ UV-Vis hình 3.7 cho thấy, khi tăng thời gian khử thì cực đại hấp thụ tăng. Hình 3.7b cho thấy, cực đại hấp thụ tăng nhanh trong thời gian đầu của phản ứng, chậm hơn sau 8 giờ và sau 31 giờ hầu như không thay đổi. Hình 3.7. Phổ UV-Vis (a) và giản đồ biểu diễn cực đại hấp thụ (b) của GNP theo thời gian khử Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt cho thấy, tại thời gian 31 giờ ,kích thước hạt lớn hơn so với tại 8 giờ nhưng không đáng kể đồng thời các hạt kém đồng đều hơn. Từ kết quả khảo sát, chúng tôi chọn thời gian khử là 8 giờ. b) Ảnh hưởng của nhiệt độ khử Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khử đến độ ổn định của vàng nano được thực hiện ở 4 nhiệt độ là 65, 75, 85 và 95°C. Kết quả thu được tại nhiệt độ 85°C, sản phẩm có độ ổn định tốt nhất c) Ảnh hưởng nồng độ Au 3+ Kết quả ảnh TEM hình 3.12 cho thấy, khi tăng nồng độ Au 3+ kích thước hạt tăng nhưng độ đồng đều giảm. Hình 3.12. Ảnh TEM của GNP tại các nồng độ Au 3+ khác nhau c) Ảnh hưởng nồng độ WSC Ngược với ảnh hưởng của Au 3+ , ảnh TEM hình 3.14 cho thấy, khi tăng nồng độ WSC, kích thước hạt giảm. Hình 3.14. Ảnh TEM của GNP tại các nồng độ WSC khác nhau d) Ảnh hưởng của khối lượng phân tử của WSC Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử WSC đến độ ổn định của GNP cho thấy, khi giảm khối lượng phân tử WSC thì GNP kém bền hơn. 3.1.2.2. Tính chất, hình thái và cấu trúc của GNP Kết quả nghiên cứu cho thấy, sản phẩm thu được có dạng cầu với đường kính trung bình khoảng 8 nm, là tinh thể có cấu trúc lập phương tâm mặt . 3.1.2.3. Cơ chế hình thành vật liệu Từ các kết quả nghiên cứu và tham khảo tài liệu, chúng tôi đưa ra cơ chế hình thành GNP theo phản ứng 3.2 và hình 3.29. Hình 3.20. Cơ chế hình thành GNP 3.1.2.3. Nghiên cứu động học của phản ứng khử Au 3+ bằng WSC Động học phản ứng được nghiên cứu bằng phương pháp nồng độ đầu. Kết quả cho thấy phương pháp nồng độ đầu cho kết quả rất lặp lại và thuận lợi cho việc nghiên cứu động học. Phương trình động học của phản ứng khử Au 3+ bằng WSC là: r = k. [Au 3+ ]. [WSC] 0,088 (%.s -1 ) với k = 85,5 s -1 (% -0,088 ). 3.1.2.4. Nghiên cứu gia tăng độ ổn định của GNP Kết quả nghiên cứu cho thấy, để tăng độ ổn định của GNP, có thể thêm WSC vào sau phản ứng với nồng độ thích hợp. Trong nghiên cứu này, với khoảng nồng độ WSC khảo sát, chúng tôi nhận thấy, nồng độ WSC 0,3% là nồng độ thích hợp để dung dịch vàng nano được bảo vệ ổn định trong 6 tháng lưu trữ. 3.1.2.5. Nghiên cứu tăng kích thước hạt GNP bằng phương pháp phát triển mầm Kết quả nghiên cứu cho thấy, bằng phương pháp phát triển mầm, sử dụng hạt mầm là GNP, có thể tăng kích thước hạt. Tại tỷ lệ [Au 3+ ]/[Au 0 ] bằng 8, kích thước hạt tăng hơn gấp đôi so với hạt mầm. 3.2. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀNG NANO DẠNG THANH (GNR) BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÁT TRIỂN MẦM 3.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng 3.2.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol [Ag + ]/[Au 3+ ] Hình 3.26. Phổ UV-Vis (a) và đồ thị biểu diễn bước sóng của dao động LSPR và độ hấp thụ quang R với tỷ lệ [Ag + ]/[Au 3+ ] . Kết quả ghi phổ UV-Vis cho thấy, trong trường hợp không có Ag + thì sản phẩm chỉ có dao động TSPR, khi thêm Ag + vào thì GNR đã hình thành với 2 dao động LSPR và TSPR. Hình 3.28. Ảnh TEM của GNR tại các tỷ lệ [Ag + ]/[Au 3+ ]khác nhau. Kết quả ảnh TEM hình 3.28 cho thấy, khi không có Ag + thì có một lượng nhỏ GNR tạo thành có tỷ lệ cạnh rất lớn (khoảng 15). Khi thêm Ag + thì sản phẩm chủ yếu là các hạt hình que. Tại tỷ lệ [Ag + ]/[Au 3+ ] bằng 0,2 thì hiệu suất tổng hợp lớn nhất và tỷ lệ cạnh cao. Do đó, chúng tôi chọn tỷ lệ [Ag + ]/[Au 3+ ] = 0,2 cho các nghiên cứu tiếp theo. 3.2.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol [AA]/[Au 3+ ] Hình 3.32. Ảnh TEM của GNR tại các tỷ lệ [AA]/[Au 3+ ]khác nhau. Kết quả ảnh TEM hình 3.32 cho thấy, khi tăng tỷ lệ [AA]/[Au 3+ ] thì tỷ lệ cạnh giảm, đặc biệt khi tăng tỷ lệ [AA]/[Au 3+ ] lên 2,5 thì sản phẩm tạo thành không còn dạng thanh mà có dạng giống khúc xương. Từ kết quả khảo sát, chúng tôi chọn [AA]/[Au 3+ ] = 1,0. 3.2.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ Au 3+ Kết quả khảo sát cho thấy, trong khoảng nồng độ khảo sát (từ 5-20 mM), tỷ lệ cạnh đạt cực đại tại giá trị nồng độ Au 3+ bằng 10 mM. 3.2.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ CTAB Hình 3.36. Ảnh TEM của GNR tại các nồng độ CTAB khác nhau Ảnh TEM hình 3.36 cho thấy, tại nồng độ CTAB nhỏ (0,01 M) thì không tạo thành vàng nano que, tỷ lệ cạnh đạt cực đại tại nồng độ CTAB bằng 0,1 M. Do đó, chúng tôi chọn nồng độ CTAB = 0,1 M. 3.2.1.4. Ảnh hưởng của giá trị pH Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH cho thấy, trong khoảng pH khảo sát (từ 1 đến 2,8), sản phẩm tạo thành đều là các hạt vàng nano dạng thanh và tại giá trị pH bằng 1,7, tỷ lệ cạnh đạt cực đại. Do đó chúng tôi chọn pH = 1,7. [...]... tương quan tuyến tính giữa tỷ lệ A 650/A520 và nồng độ melamine trong khoảng nồng độ từ 0,05 đến 1,00 mg/L với hệ số tương quan lớn (R2 = 0,998) b Hình 3.45 Sự thay đổi màu (a) và phổ UV-Vis (b) của dung dịch vàng nano và vàng nano- melamine với các nồng độ melamine khác nhau (mg/L) 3.3.2 Cơ chế phản ứng của vàng nano và melamine Cơ chế phản ứng của GNP và melamine được trình bày trên hình 3.48 Theo... Giới hạn phát hiện là 2,66 ± 0,29μM và giới hạn định lượng là 7,47÷12 μM Đã tiến hành áp dụng xác định axit uric trong hai đối tượng mẫu thực tế, đó là mẫu nước tiểu và mẫu huyết thanh 5 Kết quả nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của hai loại vàng nano cho thấy, vàng nano dạng cầu và vàng nano dạng thanh đều có khả năng ức chế được sự phát triển của vi khuẩn, trong đó vàng nano dạng thanh (GNR) có khả năng... và Staphylococcus aureus thì GNR có khả năng ức chế tốt hơn so với kháng sinh Kanamycin Như vậy, công trình luận án đã tổng hợp được vàng nano dạng cầu có kích thước trong khoảng từ 8 – 15 nm và vàng nano dạng thanh với đường kính khoảng 15 nm × 76 nm, có triển vọng trong ứng dụng phân tích các hợp chất và một số ứng dụng khác KIẾN NGHỊ Để hoàn thiện đề tài này, chúng tôi xin kiến nghị: Tiếp tục nghiên. .. nghiên cứu, phát triển ứng dụng vàng nano trong mỹ phẩm, y sinh học, đặc biệt trong lĩnh vực phát hiện và điều trị bệnh CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN A Các bài báo trên tạp chí 1 Lê Thị Lành, Nguyễn Trần Quỳnh Chi, Đinh Quang Khiếu, Trần Thái Hòa (2012), Nghiên cứu tổng hợp nano vàng hình que bằng phương pháp phát triển mầm”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 50 (3B), tr 295-300 2 Lê Thị Lành,... 2 Lê Thị Lành, Nguyễn Thị Thanh Hải, Trần Thái Hòa (2012), “Tổng hợp nano vàng sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử và chất ổn định”, Tạp chí Khoa học, Đại học Huế, 74A (5), tr 65-75 3 Lê Thị Lành, Nguyễn Thị Thanh Hải, Trần Thái Hòa (2012), Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng khử đến quá trình tổng hợp keo vàng nano với việc sử dụng chitosan tan làm chất khử và chất ổn định”, Tạp... Alamar Blue vào thì môi trường vẫn giữ nguyên màu xanh (hình 3.73b) Kết quả này chứng tỏ vàng nano dạng cầu có khả năng ức chế cả 4 chủng vi khuẩn E Coli, Salmonella Typhimurium, Listeria monocytogenes và Staphylococcus aureus Mặt khác, ta thấy khả năng kháng khuẩn của vàng nano dạng cầu đối với 4 loại vi khuẩn trên là gần như nhau, tức là nồng độ tối thiểu của vàng nano có khả năng ức chế vi khuẩn... mẫu HT2 đến HT4 – là các mẫu nữ bình thường (137 µM) và hai mẫu HT3 và HT4 cao hơn giới hạn trên (393 µM) 3.5 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA VÀNG NANO Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của cả 2 loại vàng nano tổng hợp được, đó là: vàng nano dạng cầu (GNP) và dạng thanh (GNR) Ở đây, 4 loại vi khuẩn được chọn là các loại vi khuẩn có khả năng gây ngộ độc thức ăn, gồm E Coli... hưởng của các ion Ca2+, Mg2+, Zn2+, Fe3+ và Na+, AA và VC được thể hiện trên hình 3.53 Kết quả cho thấy, các yếu tố này không ảnh hưởng đáng kể đến quá trình xác định melamine trong sữa của vàng nano Hình 3.53 Ảnh hưởng của các ion, AA và VC đến tỷ lệ A650/A520 tại các nồng độ khác nhau của tác nhân ảnh hưởng 3.4 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BIẾN TÍNH VÀNG NANO ĐỂ XÁC ĐỊNH AXIT URIC BẰNG PHƯƠNG PHÁP... sinh Kanamycin (Ks) vào để ức chế sự phát triển của vi khuẩn thì môi trường sẽ không bị đục mà có màu vàng tươi, không lắng cặn đồng thời môi trường sẽ giữ nguyên màu xanh khi thêm thuốc thử Alamar Blue vào (dãy E, F, G, H trừ cột 0) Khi cho vàng nano dạng cầu (nồng độ từ 0,1÷50,0 µg/mL) vào các ống nghiệm có chứa vi khuẩn, thì môi trường có màu vàng tươi, không lắng cặn (hình 3.20a) và khi bổ sung thuốc... cực: glassy cacbon (GCE); điện cực biến tính bởi hạt vàng nano trên nền glassy cacbon (GCE/GNP) và điện cực biến tính bởi màng L-cystein và hạt vàng nano trên nền glassy cacbon (GCE/L-cys/GNP) bằng phương pháp von-ampe hòa tan anot (DP-ASV) và von-ampe vòng (CV) Kết quả được trình bày trên bảng 3.21 và hình 3.55 và 3.56 Bảng 3.21 Giá trị Ep, Ip, b, và RSD của các điện cực trong DP-ASV Loại điện Ep,TB