Tổng hợp xanh bạc nano hình cầu sử dụng chitosan làm chất khử và chất ổn định

Hạt bạc nano hình cầu (AgNP) được tổng hợp bằng cách khử muối bạc nitrat bởi chitosan (CTS) - có khả năng tương thích sinh học và không độc hại. Sản phẩm được đặc trưng bởi kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hấp thụ phân tử (UVVis), nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).

TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 ISSN 2354-1482 TỔNG HỢP XANH BẠC NANO HÌNH CẦU SỬ DỤNG CHITOSAN LÀM CHẤT KHỬ VÀ CHẤT ỔN ĐỊNH Phan Hà Nữ Diễm1,2 Phạm Long Quang2 Trần Thái Hịa2 TĨM TẮT Hạt bạc nano hình cầu (AgNP) tổng hợp cách khử muối bạc nitrat chitosan (CTS) - có khả tương thích sinh học không độc hại Sản phẩm đặc trưng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hấp thụ phân tử (UVVis), nhiễu xạ tia X (XRD) phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Kết cho thấy nhiệt độ phản ứng, nồng độ bạc nitrat nồng độ STS yếu tố định hình thành AgNP, kích thước hình thái AgNP kiểm sốt cách khảo sát thông số Ở điều kiện tối ưu (nhiệt độ khử 105oC, nồng độ bạc nitrat 0,5% nồng độ chitosan 0,1%, sản phẩm thu bạc nano có độ phân tán cao, hình cầu kích thước trung bình khoảng nm Từ khóa: Bạc nano hình cầu, chitosan, phương pháp xanh Giới thiệu môi trường Gần đây, nhà khoa học Cấu trúc bạc nano thu hút sử dụng “phương pháp xanh” để nhiều ý ứng dụng tiềm tổng hợp nano AgNP nhằm khắc phục chúng nhiều lĩnh vực hạn chế nói [8] kháng khuẩn, xúc tác, cảm biến Trong trình tổng hợp AgNP, sinh học, hóa học tăng cường bề mặt chất ổn định đóng vai trị quan trọng phổ Raman [1-4] Sự cộng hưởng việc kiểm sốt hình thành plasmon phụ thuộc nhiều vào kích hạt nano ổn định độ phân thước, hình dạng thành phần hạt tán chúng [5] Polyme thường nano Đặc biệt, kiểm soát hình thái sử dụng làm chất ổn định hạt nano quan trọng để cải thiện ứng dụng chúng có hiệu việc ngăn ngừa cấu trúc nano sản phẩm kết tụ kết tủa hạt nano AgNP tổng hợp Chitosan polysaccarit, dẫn xuất nhiều phương pháp khác như: chitin tự nhiên, polymer phương pháp hóa học [5], xạ tia γ sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh [1], quang hóa [6], v.v… Trong đó, vực khác ưu điểm phương pháp phổ biến để tổng kháng khuẩn, tương thích sinh học, hợp AgNP phương pháp hóa học, sử phân hủy sinh học, hấp thụ kim loại dụng tác nhân khử hóa học nặng nước, làm lành vết thương NaBH4 hay natri citrate để khử muối vật liệu sinh học [9] Vì bạc [7] Tuy nhiên, nhược điểm lý này, chitosan sử dụng phương pháp sử dụng tác rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhân độc hại gây ảnh hưởng y học, thực phẩm kỹ thuật hóa Trường Đại học Đồng Nai, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế Email: phannudiem@gmail.com 97 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 học, dược phẩm, dinh dưỡng nông nghiệp [10] Trong báo này, tổng hợp AgNP phương pháp xanh, dùng chitosan làm chất khử làm chất ổn định Kết thu AgNP có kích thước nhỏ, sản phẩm thu chịu ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng nồng độ bạc nitrat chitosan Thực nghiệm 2.1 Hóa chất thiết bị AgNO3 mua từ Sigma Aldrich CTS axit axetic lấy từ Quangzi, Trung Quốc, nước cất lần dùng suốt q trình thí nghiệm Tất dụng cụ thủy tinh làm nước cường toan (HCl:HNO3, tỷ lệ 3:1 theo thể tích) rửa lại nước cất Cấu trúc tinh thể AgNP đặc trưng máy đo nhiễu xạ tia X (XRD, Rikaku- Denki, CuKα, 40 mV, 20 mA , Đức) Định tính AgNP theo bước sóng hấp thụ cực đại sản phẩm ghi lại máy quang phổ UV (Jasco V-630 UV-Vis), hình thái vật liệu xác định kính hiểu vi điện tử truyền qua (TEM, Model JEOLE-3432, Nhật Bản) Phổ hồng ngoại (IR) ghi lại Máy quang phổ Nicolet 6700 FTIR 2.2 Chuẩn bị hạt nano Ag- chitosan Quy trình tổng hợp nano bạc dựa tài liệu khoa học [10] Dong Wei cộng Tuy nhiên, chúng tơi có thay đổi số yếu tố điều kiện thí nghiệm 2.2.1 Điều chế dung dịch chitosan 0,4% Hòa tan 0,4 g CTS 100 mL dung dịch axit axetic 2% Vì khả hịa tan CTS nên hỗn hợp ISSN 2354-1482 khuấy qua đêm Lọc bỏ phần không tan thu dung dịch CTS với nồng độ khoảng 0,4% Sau đó, pha lỗng nồng độ khảo sát 2.2.2 Tổng hợp hạt nano bạc hình cầu (AgNP) Cho mL dung dịch AgNO3 0,1% vào mL dung dịch CTS 0,1%, định mức thành 10 mL nước cất Sau đó, hỗn hợp chuyển sang ống COD 10 mL giữ 12 105oC Màu dung dịch chuyển từ không màu sang màu vàng nhạt Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ Phổ UV-Vis dung dịch AgNP thu nhiệt độ khử khác (hình 1A), bước sóng pic cực đại nằm khoảng 410 - 430 nm, thể dải hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt đặc trưng AgNP [8] Khi phản ứng thực 105oC, cường độ pic tăng gấp đôi trở nên hẹp so với 90oC Cho thấy có tăng số lượng AgNP dung dịch phản ứng độ đồng cao AgNP tăng nhiệt độ phản ứng Chúng tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên 120oC 135oC, thu hai pic tù hơn, cực đại hấp thụ không đổi (so sánh từ chân đến pic cực đại) Các ảnh TEM tương ứng AgNP (hình 1B) cho thấy, nhiệt độ khử tăng, kích thước hạt tăng AgNP tổng hợp 90oC có kích thước trung bình 4,56 ± 1,33 nm AgNP 105oC cho kích thước trung bình 5,92 ± 0,98 nm, mẫu nhiệt độ cao 120 135oC, hạt nano cho kích thước trung bình 12,08 ± 2,13 nm 32,60 ± 6,10 nm 98 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 Điều giải thích nhiệt độ cao, tốc độ phản ứng tăng nên tạo hàng loạt mầm lúc làm cho kích thước hạt nhỏ, đơn phân tán Tuy nhiên, nhiệt độ cao, kích thước hạt tăng, điều nhiệt độ cao hơn, CTS bị cắt mạch thành hợp chất có phân tử khối nhỏ khả bảo vệ AgNP Trong lượng AgNP tạo nhiều, dung dịch trở nên bão hòa AgNP nên dễ dàng kết hợp tạo AgNP có kích thước lớn hơn, theo chế chín muồi Ostwald Nhiệt độ khử khác 1B (90oC) Độ hấp thụ 1A ISSN 2354-1482 o 1B (105 C) Bước sóng (nm) 1B (120oC) 1B (135oC) Hình 1: Phổ UV-Vis (A) ảnh TEM AgNP thu nhiệt độ phản ứng khác 90 oC, 105 oC, 120 oC 135oC (B) 3.2 Ảnh hưởng nồng độ bạc nitrat nhiên, bước sóng 300 nm pic hấp Trong phần này, AgNP tổng thụ ion Ag+ tiền chất AgNO3, hợp từ nồng độ bạc nitrat khác nồng độ 4,0% pic bước sóng nhau: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 4,0% 300nm tăng gấp đôi so với pic đó, cố định nồng độ CTS bước sóng 420 nm nghĩa lượng Ag+ 0,2%, nhiệt độ khử 105oC 12 dư đáng kể Chúng tơi chụp TEM ba Phổ UV-Vis (hình 2A) thể hiện, mẫu đặc trưng (hình 2), nồng độ AgNO3 nồng độ bạc nhỏ (0,1 0,2%), pic 0,5; 1,0 4,0% Hình 2B cho dung dịch thấp tù Vì cường độ thấy, mẫu cho phân bố kích thước nhỏ hấp thụ khơng đáng kể nên suy ra, lượng hẹp thu nồng độ tiền chất AgNP tạo thành dung dịch bạc 0,5% Mẫu có nồng độ Ag+ lớn Khi nồng độ AgNO3 tăng, cường kích thước hạt lớn có xu độ hấp thụ AgNP dung dịch hướng kết dính lại với Điều có tăng mạnh, bước sóng 420 nm Tuy thể giải thích dựa vào chế chín 99 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 muồi Ostwald [6] Theo đó, q trình nhiệt động học xuất hiện, hạt có kích thước lớn có lượng lớn hạt có kích thước nhỏ, phân tử bề mặt hạt bền so với phân tử bên lòng hạt Do đó, hạt bề mặt có xu hướng vỡ thành hạt nhỏ tan vào dung dịch, đạt đến độ q bão hịa hạt có xu hướng kết tinh ISSN 2354-1482 bề mặt hạt lớn, tạo thành hạt có kích thước lớn Tuy nhiên, bề mặt hạt phát triển đến mức độ định sau không tiếp tục phát triển thêm Mặt khác, hạt AgNP hấp phụ bão hòa Ag+ nên dung dịch có lượng dư Ag+, tạo cụm có kích thước nhỏ (hình 3) Hình 2: (A) Phổ hấp thụ UV-Vis (B) ảnh TEM AgNP với nồng độ AgNO3 khác nhau: 0,5%, 1,0% 4,0% Hình 3: Mơ hình minh họa phát triển hạt mầm trường hợp: dư Ag+ dung dịch (a) có dư Ag+ dung dịch (b) 100 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 3.3 Ảnh hưởng nồng độ chitosan (CTS) Để xác định nồng độ CTS tối ưu, khảo sát CTS nồng ISSN 2354-1482 độ khác nhau: 0,05; 0,1; 0,2, 0,4% hỗn hợp phản ứng cố định nồng độ ion Ag+ 0,5% nhiệt độ 105oC 12 (hình 4) Nồng độ chitosan khác Độ hấp thụ 4A Bước sóng 4B (0,1%) (nm) 4B (0,2%) 4B (0,4%) Hình 4: Phổ hấp thụ UV-Vis (A) ảnh TEM AgNP ứng với nồng độ CTS khác nhau: 0,1% (B); 0,2% (C) 0,4% (D) Phổ UV-Vis AgNP tạo nồng độ CTS khác (hình 4A) cho thấy, nồng độ CTS thấp (0,05%), không thấy thay đổi tính quang học phổ UVVis, nghĩa lượng AgNP tạo không đáng kể Khi nồng độ CTS tăng lên 0,1%, xuất dải cộng hưởng plasmon bề mặt với pic bước sóng 420 nm Tiếp tục tăng nồng độ CTS lên 0,4%, cường độ pic hấp thụ λmax = 420 nm tăng đáng kể Ảnh TEM (hình 4B) cho thấy, nồng độ CTS 0,4%, AgNP có kích thước lớn khơng đồng Khi nồng độ giảm dần độ đồng kích thước hạt số lượng hạt nhỏ tăng lên Điều giải thích dung dịch phản ứng nồng độ chất khử lớn phản ứng xảy nhanh Tuy nhiên, CTS polymer tự nhiên có độ nhớt cao nên khả phân tán hạt nano so với nồng độ thấp, hạt có xu hướng kết dính lại với Điều dễ dàng nhận thấy ảnh TEM mẫu nồng độ CTS 0,4% cho hình ảnh mờ so với mẫu nồng thấp 3.4 Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) Chúng tơi chọn mẫu có nồng độ + Ag 0,5%, nồng độ CTS 0,1%, 101 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 Cường độ (cps) nung 105oC 12 để đo XRD Trên giản đồ nhiễu xạ XRD (hình 5) có pic nhiễu xạ giá trị 2θ = 38,21o; 44,2o; 64,4o ứng với mặt (111), (200), (220) với cường độ yếu Điều giải thích hạt nano có kích thước nhỏ, nghĩa (100) ISSN 2354-1482 CTS bao bọc hạt nano tốt Khơng tìm thấy phản xạ tạp nhiễu để mẫu có lẫn tạp chất Theo JCPDS No 03 - 065 - 2871, sản phẩm bạc nano có cấu trúc lập phương tâm diện (200) (220) 2𝜃 (độ) Hình 5: Giản đồ XRD AgNP 3.5 Phân tích phổ hồng ngoại ứng với liên kết C-O-C Phổ hồng ngoại (FTIR) CTS sau bị oxy hóa Ag+ Phổ hồng ngoại CTS trước có vài đỉnh đặc trưng sau phản ứng với Ag+ trình CTS, nhiên cường độ hấp thụ giảm bày hình Kết cho thấy, mạnh Điều giải thích giản đồ phổ hồng ngoại CTS xuất sau: Các nhóm -OH -NH2 pic đặc trưng CTS, cặp điện tử tự linh động chưa tham -1 pic xuất số sóng 3410 cm ứng gia liên kết bị hút mạnh ion Ag+ với dao động hóa trị nhóm hydroxyl làm cho liên kết ban đầu bị biến dạng -1 (O-H); pic số sóng 2877 cm đặc (hình 6), xuất đỉnh trưng cho liên kết C-H, số sóng 1650 số sóng 1759 cm-1 (dao động cm-1 dao động hóa trị nhóm nhóm –C=O) cho có tạo -1 amide I (-NH2), số sóng 1420 cm thành nhóm cacboxyl (-COOH) dao động biến dạng (δ) nhóm – phân tử CTS [12] -1 COCH3 số sóng 1080 cm tương 102 ISSN 2354-1482 Độ truyền qua TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 Số sóng (cm-1) Hình 6: Phổ FT-IR CTS nano bạc CTS Kết luận Điều kiện tối ưu để điều chế keo AgNP: AgNP bảo vệ CTS, với nồng độ Ag+ 0,5%, nồng độ CTS đường kính khoảng nm tiến hành 0,1%, nhiệt độ khử 105 oC thời gian phương pháp khử hóa học, với khử 12 Vì CTS có khả CTS vừa chất khử, vừa chất bảo tương thích sinh học, với độ tinh vệ Kích thước AgNP khiết đặc tính khác biệt dung dịch kiểm soát cách thay đổi nhiệt độ keo AgNP – CTS ứng dụng nhiều phản ứng, nồng độ Ag+ nồng độ CTS y sinh học dược phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO Hien, N.Q., Phu, D.V., Duy, N.N., Quoc, L.A., Lan, N.T.K., Quy, H.T.D., Van, H.T.H., Diem, P.H.N and Hoa, T.T (2015), “Influence of Chitosan Binder on the Adhesion of Silver Nanoparticles on Cotton Fabric and Evaluation of Antibacterial Activity”, Advances in Nanoparticles, 4, 98-106 Bhakat C et al (2012), “Effects of Silver Nanoparticles Synthesize From Ficus Benjamina on Normal Cells and Cancer Cells”, IOSR Journal of Pharmacy and Biological Sciences, Volume 1, Issue 4, 33-36 Yi-Kang Cai, Kang-Li Gao, Guo-Cheng Li, Zhao-Jing Deng, Guo-Zhi Han (2015), “Facile controlled synthesis of silver particles with high catalytic activity”, Colloids and Surfaces A: Physicochem Eng Aspects 481, 407-412 Wang Y., Wang Y., Wang H., Cong M., Xu W., Xu S (2015), “Surfaceenhanced Raman scattering on a hierarchical structural Ag nano-crown array in different detection ways”, Chem Phys 17, 1173-1179 Ahmad M B., Lim J J., Shameli K., Ibrahim N A., Tay M Y (2011), “Synthesis of silver nanoparticles in chitosan, gelatin and chitosan/gelatin bionanocomposites by a chemical reducing agent and their characterization”, Molecules 16, 7237-7248 103 TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 18 - 2020 ISSN 2354-1482 Li Z., Li Y., Qian X F., Yin J., Zhu Z K (2005), “A Simple Method for Selective Immobilization of Silver Nanoparticles”, Applied Surface Science 250, 109-116 Wan Y., Guo Z., Jiang X., Fang K., Lu X., Zhang Y., Gu N (2013), Quasispherical silver nanoparticles: Aqueous synthesis and size control by the seedmediated Lee–Meisel method, Journal of Colloid and Interface Science 394, 263-268 Venkatesham M., Ayodhya D., Madhusudhan A., Babu N V., Veerabhadram G (2014), A novel green one-step synthesis of silver nanoparticles using chitosan: catalytic activity and antimicrobial studies, Appl Nanosci 4, 113-119 Wang B., Chen K., Jiang S., Reincke F., Tong W., Wang D., Gao C (2006), “Chitosan-mediated synthesis of gold nanoparticles on patterned poly(dimethylsiloxane) surfaces”, Biomacromolecules 7, 1203-1209 10 Wei D., Sun W., Qian W., Ye Y., Ma X (2009), The synthesis of chitosanbased silver nanoparticles and their antibacterial activity, Carbohydrate Research 344, 2375-2382 11 Ching W L., An P C., Ting T L., Jia H L (2014), “Antimicrobial activity of UV-induced chitosan capped silver nanoparticles”, Materials Letters 128, 248-252 12 Chen W., Deng H H., Hong L., Wu Z Q., Wang S., Liu A L., Lin X H., Xia X H (2012), “Bare gold nanoparticles as facile and sensitive colorimetric probe for melamine detection”, Analyst: The Royal Soceity of Chemistry, 137, 5382-5386 GREEN SYNTHESIS OF HOMOGENEOUS SILVER NANOPARTICLES USING CHITOSAN SUSPENSIONS ABSTRACT Silver nanoparticles (AgNPs) were synthesized by reducing silver nitrate salts with nontoxic, biocompatible chitosan The obtained products were characterized by transmission electron microscopy (TEM), UV–Visible absorption spectra (UV-vis), X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectra (FTIR) It is found that the reaction temperature, silver nitrate and chitosan concentration were crucial factors determining the formation of AgNPs, the size and shape of the AgNPs can be controlled by investigating these parameters At optimum conditions (reaction temperature = 105oC, silver nitrate concentration = 0.5%, and chitosan concentration = 0.1%, the obtained products were single-crystal Ag with highly dispersion, spherical shape and an average size of nm Keywords: Ag nanoparticles, chitosan, green method (Received: 18/11/2019, Revised: 23/3/2020, Accepted for publication: 6/8/2020) 104 ... báo này, tổng hợp AgNP phương pháp xanh, dùng chitosan làm chất khử làm chất ổn định Kết thu AgNP có kích thước nhỏ, sản phẩm thu chịu ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng nồng độ bạc nitrat chitosan. .. bị hạt nano Ag- chitosan Quy trình tổng hợp nano bạc dựa tài liệu khoa học [10] Dong Wei cộng Tuy nhiên, chúng tơi có thay đổi số yếu tố điều kiện thí nghiệm 2.2.1 Điều chế dung dịch chitosan. .. tan CTS nên hỗn hợp ISSN 2354-1482 khuấy qua đêm Lọc bỏ phần không tan thu dung dịch CTS với nồng độ khoảng 0,4% Sau đó, pha lỗng nồng độ khảo sát 2.2.2 Tổng hợp hạt nano bạc hình cầu (AgNP) Cho