Tổng hợp và ứng dụng nano bạc trên chất mang gamma cyclodextrin alginate sử dụng dịch chiết củ ngưu bàng (arctium lappa l)

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: Tổng hợp ứng dụng nano bạc chất mang Gamma-Cyclodextrin/Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng (Arctium lappa L) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ CD Cyclodextrin AgNPs Nano bạc STM Scanning Tunneling Microscope UV-VIS UltraViolet-Visible Spectroscopy FTIR Fourrier Transformation InfraRed FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope EDX Energy Dispersive X-ray spectroscopy DTA Differential Thermal Analysis TGA Thermal Gravimetric Analysis HR-TEM High Resolution-Transmission Electron Microscopy LỜI MỞ ĐẦU  Lý chọn đề tài : Ở thời điểm ngành cơng nghệ nano ví ngành nghề có bùng nổ mạnh mẽ thứ giới, xếp sau Công nghệ thông tin Công nghệ sinh học Tác động công nghệ nano lên xã hội lồi người ví với phát minh điện hay nhựa - thay đổi gần tất vật dụng sống đại Các ứng dụng công nghệ nano phổ biến từ ứng dụng tương lai chế tạo pin mặt trời hay chữa trị ung thư ứng dụng đơn giản sống thường nhật máy giặt, tủ lạnh với cơng nghệ nano bạc kháng khuẩn khử mùi Chính vậy, giới, công nghệ nano cho ngành công nghệ vạn Đề tài nghiên cứu xây dựng dựa tổng hợp ứng dụng nano bạc theo hướng hóa học xanh việc sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng (tên khoa học Arctium lappa Linn) Theo Tây y Đơng y củ Ngưu Bàng để sử dụng làm thuốc được, củ Ngưu Bàng có dược tính vị cay, đắng, tính hàn, có tác dụng y học để chửa nhiệt, giải độc, chữa cảm cúm, viêm phổi, viêm họng,… Từ đó, tơi định chọn nghiên cứu đề tài : “Tổng hợp ứng dụng nano bạc chất mang γ-Cyclodextrin/Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng”  − − − Mục tiêu nghiên cứu : Tìm phương pháp để xử lý chất độc hại gây ô nhiễm nguồn nước Đơn giản hóa quy trình giảm bớt chi phí xử lý nhiễm nguồn nước Phát triển ngành hóa học xanh theo hướng nano Nội dung đề tài : − Khảo sát điều kiện để tổng hợp nên composite AgNPs/γCyclodextrin/Alginate − Nghiên cứu tính chất hóa lý composite AgNPs/γ-Cyclodextrin/Alginate − Nghiên cứu ứng dụng hệ composite AgNPs/γ-Cyclodextrin/Alginate cho xúc tác khử hợp chất ô nhiễm môi trường  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài : Hệ composite AgNPs/γ-Cyclodextrin/Alginate ứng dụng để xử lý ô nhiễm môi trường nước Xúc tác hệ composite giúp giảm bớt chi phí xúc tác AgNPs nguyên chất nhiều Bố cục khóa luận  Bố cục đề tài chia thành chương sau : Chương : Tổng quan Chương : Thực nghiệm Chương : Kết thảo luận CHƯƠNG I TỔNG QUAN I.1 Giới thiệu ngành khoa học công nghệ nano I.1.1 I.1.1.1 Khái quát nano Lịch sử phát triển ngành khoa học công nghệ nano Richard Phillips Feynman (1918-1988) nhà vật lý người Mỹ gốc Do Thái nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1965 Ngày 29 tháng 12 năm 1959, Feynman có phát biểu tiếng “There is a plenty room at the bottom” (Còn khoảng trống cấp vi mô) mở đường cho nghiên cứu cấp độ phân tử coi khai sinh ngành khoa học cơng nghệ nano [1] Hình I.1: Richard Phillips Feynman (1918-1988) nhà vật lý Thuật ngữ “công nghệ nano” đề cập từ sớm chưa áp dụng vào thực tiễn năm 1974, Norio Taniguchi, nhà nghiên cứu trường Đại học Tokyo, Nhật Bản, ông đặt thuật ngữ công nghệ nano vào năm 1974 để mơ tả q trình bán dẫn lắng đọng màng mỏng phay tia ion thể kiểm sốt đặc trưng theo thứ tự nanomet [2] Hình I.2: Norio Taniguchi (1912-1999) giáo sư Đại học Khoa học Tokyo Năm 1981 Gerd Binnig Heinrich Rohrer (IBM, Zürich) phát minh kính hiển vi quét xuyên hầm (Scanning tunneling microscope) loại kính hiển vi phi quang học, sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt vật rắn hoạt động dựa việc ghi lại dòng xuyên hầm điện tử sử dụng mũi dò quét bề mặt mẫu STM công cụ mạnh để quan sát cấu trúc bề mặt vật rắn với độ phân giải tới cấp độ nguyên tử [3] Hình I.3: Gerd Binnig (trái) Heinrich Rohrer (phải) Cho đến ngày công nghệ nano công nghệ tiên tiến bậc có nhiều ứng dụng y học, điện tử, may mặc, thực phẩm v.v Trong tương lai, cứu sống bạn khỏi bệnh ung thư, tạo quần áo chống bụi bẩn, chí thay đổi loại đồ ăn Ứng dụng công nghệ nano dường vô hạn I.1.1.2 Các khái niệm nano Nano có nghĩa nanomét (ký hiệu: nm) phần tỷ mét (1/1.000.000.000 m), đơn vị đo lường để đo kích thước vật cực nhỏ Cơ cấu nhỏ vật chất nguyên tử có kích thước: 0,1 nm, phân tử tập hợp nhiều nguyên tử: nm, vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trùng: 25.000 nm, sợi tóc: 100.000 nm, đầu kim: triệu nm chiều cao người: tỷ nm.[1][7] • Cơng nghệ nano (nanotechnology) việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị, hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thước quy mơ nano mét.[4] [5] • Khoa học nano (nanoscience) ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp (manipulation) vào vật liệu quy mô nguyên tử, phân tử đại phân tử Tại quy mơ đó, tính chất vật liệu khác hẳn với tính chất chúng quy mơ lớn hơn.[5] • Khoa học cơng nghệ nano mơn khảo sát, tìm hiểu đặc tính vật chất cực nhỏ, để thao tác (manipulate), chồng chập vật chất này, xây dựng vật thể to hơn.[1] • Vật liệu nano đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thước vật liệu nano trải khoảng rộng, từ vài nm đến vài trăm nm Để có số dễ hình dung, ta có cầu có bán kính bóng bàn thể tích đủ để làm nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, ta xếp hạt thành hàng dài độ dài chúng ngàn lần chu vi trái đất.[6] I.1.1.3 Cơ sở khoa học công nghệ nano Công nghệ nano dựa ba sở khoa học nghiên cứu sau : • Sự nối tiếp từ học cổ điển đến học lượng tử Theo định nghĩa học ngành khoa học nghiên cứu chuyển động vật chất không gian tương tác chúng − Cơ học cổ điển nghiên cứu chuyển động vật vi mơ có vận tốc nhỏ nhiều so với vận tốc ánh sáng, xây dựng nhà vật lý Galileo Galilei, Isaac Newton Chuyển động vật thể (các hạt) có vận tốc gần vận tốc ánh sáng nghiên cứu học tương đối, chuyển động vi hạt nghiên cứu học lượng tử Cơ học cổ điển sở cho phát triển ngành khoa học kỹ thuật công nghệ như: chế tạo máy, xây dựng, … − Cơ học lượng tử lý thuyết vật lý học Cơ học lượng tử phần mở rộng bổ sung học Newton (còn gọi học cổ điển), sở nhiều chuyên ngành vật lý hóa học vật lý chất rắn, hóa lượng tử, vật lý hạt Cơ học lượng tử nghiên cứu chuyển động đại lượng vật lý liên quan đến chuyển động lượng xung lượng, vật thể nhỏ bé, lưỡng tính sóng-hạt thể rõ • Hiệu ứng bề mặt Với vật liệu bình thường ta xem xét nhìn tổng thể có kích thước lớn so với hạt ngun tử cấu tạo nên Do số nguyên tử nằm bề mặt vật liệu có tỉ lệ đáng kể so với tổng số lượng nguyên tử cấu thành vật Chính có thay tỉ lệ gây số hiệu ứng đặc biệt bề mặt vật liệu gọi hiệu ứng bề mặt [6] • Kích thước tới hạn Các tính chất hóa học, vật lý (như tính dẫn điện, tan nước, tác dụng với chất khác nhau, ) vật liệu bị thay đổi vật liệu nhỏ kích thước định Điều có nghĩa tính chất vật lý, tính chất hóa học vật liệu xác định điều kiện bình thường (dạng khối lớn) khác so với xác định mức độ nano (kích thước nhỏ so với kích thước tối thiểu) Chính vậy, việc xác định kích thước tối thiểu quan Kích thước tối thiểu gọi kích thước giới hạn vật liệu.[6] I.1.1.4 Ứng dụng ngành khoa học công nghệ nano Công nghệ nano không lĩnh vực độc lập mà phát triển với nhiều lĩnh vực khác để đem lại tiện ích cho người Công nghệ nano ứng dụng nhiều lĩnh vực sinh tổng hợp, y-dược, mỹ phẩm, điện tử-điện, quốc phòng, nơng nghiệp, thực phẩm, dệt, phương tiện vận chuyển,… Hình I.4: Ứng dụng nano lĩnh vực • Y học Bằng việc sử dụng vật liệu, thiết bị, dụng cụ…kích cỡ nanomet hạt nano hóa học, nano sinh học, robot nano…đã giúp cho y học ngày tiến giúp chẩn đốn xác, định vi rõ rang tế bào gây bệnh, điều trị thuốc đặc hiệu, mức tế bào cho nhiều bệnh, kể bệnh khó ung thư… • Điện tử 10 26% khối lượng Tổng khối lượng bị 74% lại 26% khối lượng chưa bị phân hủy Nhiệt oxi hóa mẫu giai đoạn 700,67oC III.10 Kết khảo sát hoạt tính xúc tác hệ AgNPs/γ-CD/Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng • Kết khảo sát hoạt tính xúc tác hệ AgNPs/γ-CD/Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng phản ứng khử Rhodamine B Hình III.14: kết đo UV-Vis phản ứng khử Rhodamine B Theo kết đo phổ UV-Vis phản ứng khử Rhodamine B ta nhận thấy rằng: − Độ hấp thụ tối đa Rhodamine B bước sóng 553nm − Khi cho NaBH4 vào dung dịch có tượng sủi bọt sau 18 phút dung dịch từ màu đỏ hồng chuyển sang màu dần cuối màu vàng nhạt − Điều chứng minh hệ AgNPs/γ-CD/Alginate có khả làm xúc tác cho phản ứng khử Rhodamine B • Kết khảo sát hoạt tính xúc tác hệ AgNPs/γ-CD/Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng phản ứng khử 4-Nitrophenol 53 Hình III.15: kết đo UV-Vis phản ứng khử 4-Nitrophenol Theo kết đo phổ UV-Vis phản ứng khử 4-Nitrophenol ta nhận thấy rằng: − Độ hấp thụ tối đa 4-Nitrophenol bước sóng 400nm − Khi cho NaBH4 vào dung dịch có tượng sủi bọt sau 26 phút dung dịch từ màu vàng đậm chuyển sang màu dần cuối màu vàng nhạt − Điều chứng minh hệ AgNPs/γ-CD/Alginate có khả làm xúc tác cho phản ứng khử 4-Nitrophenol • Kết khảo sát hoạt tính xúc tác hệ AgNPs/γ-CD/Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng phản ứng khử Methyl orange 54 Hình III.16: kết đo UV-Vis phản ứng khử Methyl orange Theo kết đo phổ UV-Vis phản ứng khử Methyl orange ta nhận thấy rằng: − Độ hấp thụ tối đa Methyl orange bước sóng 460nm − Khi cho NaBH4 vào dung dịch có tượng sủi bọt sau 12 phút dung dịch từ màu cam đậm chuyển sang màu dần cuối màu vàng nhạt − Điều chứng minh hệ AgNPs/γ-CD/Alginate có khả làm xúc tác cho phản ứng khử Methyl orange KẾT LUẬN Sau trình nghiên cứu ta thấy hệ AgNPs/γ-Cyclodextrin/Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng ứng dụng lĩnh vực xử lý mơi trường Bên cạnh việc sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng thể ứng học hóa học 55 xanh, thân thiện với mơi trường giúp giảm thiểu chi phí giúp phát triển ngành nơng nghiệp trồng trọt củ Ngưu Bàng đề tài ứng dụng ngành công nghiệp xử lý môi trường Theo kết thu từ trình nghiên cứu tối rút kết luận sau: • Các điều kiện tối ưu tổng hợp hệ AgNPs/γ-Cyclodextrin/Alginate dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng − Tỉ lệ khối lượng so với thể tích dịch chiết lên trình hình thành AgNPs 10:1 − Thời gian thực phản ứng 140 phút − Nhiệt độ phản ứng thích hợp 120oC − Tốc độc khuấy 1200 vòng/phút • Hạt AgNPs từ hình ảnh đo HR-TEM có kích thước trung bình 4,4nm, hạt có kích thước lớn nằm khoảng 17,7nm • Kích thước zeta hạt AgNPs 109,5nm -52,0mV • Hàm lượng Ag cao AgNPs kết EDX 44.63% • Theo kết TG-DTA ta thấy AgNPs bền khoảng nhiệt độ từ 300-500oC 56 KIẾN NGHỊ Mở rộng nghiên cứu cách khảo sát hoạt tính sinh học hệ AgNPs/γCyclodextrin/Alginate Nghiên cứu giải phóng AgNPs từ hệ γ-Cyclodextrin/Alginate 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Văn Tân, “Khoa học công nghệ nano” 2009, Nhà xuất Tri Thức [2] Tạ Bá Hứng, Phùng Minh Lai, Trần Thanh Phương, “Khoa học-công nghệ nanoứng dụng tiềm năng”, Trung tâm thong tin khoa học công nghệ quốc gia [3] Davis Baird, Ashley Shew, “Probing the history of scanning tunneling microscopy”, Department of Philosophy, University os South Carolina [4] N.K Tolochko, “History of nanotechnology”, Belarus State Agrarian Technical University, Belarus [5] “Nanoscience and nanotechnologies”, The Royal Society & The Royal Academy of Engineering, London ,2004 [6] Cao Minh Thì, Nguyễn Việt Long, Nguyễn Văn Việt (2012), “Nano kim loai oxit kim loại”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [7] Kaushik N Thakkar, Snehit S Mhatre, Rasesh Y Parikh, “Biological synthesis of metallic nanoparticles” 2009, National Center for Cell Science, Molecular Biology Unit, Maharashtra, India [8] Nguyễn Hoàng Hải, “Hạt nano kim loại”, Trung tâm Khoa học Vật liệu, Khoa Vật lí, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [9] Luis M Liz-Marzán, “Nanomentals formation and color 2004” [10] Sergey V Kurkov, Thorsteinn Loftsson, “Cyclodextrins - International Journal of Pharmaceutics” 2013, Faculty of Pharmaceutical Sciences, University of Iceland, Iceland [11] Phennapha Saokham Thorsteinn Loftsson, “γ-Cyclodextrin” 2017, International Journal of Pharmaceutics [12] Edvaldo Sabadini, Terence Cosgrove, “Solubility of cyclomaltooligosaccharides (cyclodextrins) in H2O and D2O: a comparative study” 2006, Carbohydrate Research [13] H H Donaubauer, H Fuchs, K H Langer, “Subchronic Intravenous Toxicity Studies with γ-Cyclodextrin in Rats” 1998, Regulatory toxicology and pharmacology, Germany and Switzerland 58 [14] Waalkens-Berendsen DH, Smits van Prooije AE, Bär A,“Embryotoxicity and teratogenicity study with γ-Cyclodextrin in rabbits” 1998, Regulatory toxicology and pharmacology [15] Waalkens-Berendsen DH, Verhagen FJ, Bär A “Embryotoxicity and teratogenicity study with γ-cyclodextrin in rats” 1998, Regulatory toxicology and pharmacology [16] Leroy-Lechat, F.Wouessidjewe, D.Andreux, 1994 “Evaluation of the cytotoxicity of cyclodextrins and hydroxypropylated derivatives”, International journal of pharmaceutics [17] Ohtani, Y.Irie, T Uekama, K.Fukunaga, 1989, “Differential effects of α/β/γCyclodextrins on human erythrocytes” European journal of biochemistry [18] Nguyễn Văn Thành, Bùi Văn Nguyên, Nguyễn Đình Thuất 2017, “Tối ưu hóa q trình nấu chiết Alginate từ bã rong nâu Turbinaria ornate”, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ [19] Le Dai Vuong, Nguyen Dinh Tung Luan, Dao Duy Hong Ngoc 2017 “Green Synthesis of Silver Nanoparticles from Fresh Leaf Extract of Centella asiatica and Their Applications”, Faculty of Chemical and Environmental Engineering Hue Industrial College, Hue City, Vietnam [20] Liem Le, The Nguyen, Dieu Nguyen 2018, “Microwave assisted green synthesis of silver nanoparticles using Mulberry leaves extract and silver nitrate solution”, Office of Academic Investigation, Duy Tan University, Vietnam [21] S.Shivaji, S.Madhu, S.Singh 2011, “Extracellular synthesis of antibacterial silver nanoparticles using psychrophilic bacteria”, Process Biochem [22] K.Kalimuthu, RS.Babu, D.Venkataraman, M.Bilal, S.Gurunathan 2008, “Biosynthesis of silver nanocrystals by Bacillus licheniformis”, Colloids Surf B Biointerfaces [23] Gardea-Torresdey , E.Gomez, Peralta-Videa, JG.Parsons 2003, “Alfalfa sprouts: a natural source for the synthesis of silver nanoparticles”, Langmuir 59 [24] P.Velmurugan, S.Sivakumar, Young-Chae 2015, “Synthesis and characterization comparison of peanut shell extract silver nanoparticles with commercial silver nanoparticles and their antifungal activity”, J Ind Eng Chem [25] Muhammad Rafique, Iqra Sadaf 2017, “A review on green synthesis of silver nanoparticles and their applications”, Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology 60 PHỤ LỤC • Kết phân tích HR-TEM 61 Phụ lục : Hình ảnh HR-TEM AgNPs/ γ-CD/Alginate • Kết phân tích EDX 62 Phụ lục : Hình ảnh EDX AgNPs/ γ-CD/Alginate • Kết phân tích FTIR Phụ lục : kết phổ IR Sodium Alginate 63 Phụ lục : kết phổ IR dịch chiết củ Ngưu Bàng Phụ lục : kết phổ IR γ-CD 64 Phụ lục : kết phổ IR Blank γ-CD/Alginate Phụ lục : kết phổ IR AgNPs/ γ-CD/Alginate 65 • Kết phân tích TG-DTA Phụ lục : kết phổ TG-DTA γ-CD Phụ lục : kết phổ TG-DTA Blank γ-CD/Alginate 66 Phụ lục 10 : kết phổ TG-DTA AgNPs/ γ-CD/Alginate 67 ... nghiên cứu đề tài : Tổng hợp ứng dụng nano bạc chất mang γ -Cyclodextrin/ Alginate sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng  − − − Mục tiêu nghiên cứu : Tìm phương pháp để xử lý chất độc hại gây nhiễm... cơng nghệ nano cho ngành công nghệ vạn Đề tài nghiên cứu xây dựng dựa tổng hợp ứng dụng nano bạc theo hướng hóa học xanh việc sử dụng dịch chiết củ Ngưu Bàng (tên khoa học Arctium lappa Linn)... I.3.2 Ứng dụng hạt nano bạc Trong năm gần ứng dụng hạt nano bạc phổ biến Nó nghiên cứu ứng dụng nhiều để sản xuất từ mặt hàng gia dụng ngày đến đến sản phẩm kỹ thuật cao • Ứng dụng hạt nano bạc