Khi có mặt của Cu trong ma trận silica, vật liệu Cu-silica NPs thể hiện các dao động điển hình như vật liệu silicaNPs, tuy nhiên các peak. đã có sự dịch chuyển số sóng như được[r]
(1)VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 36, No (2020) 51-61
51
Original Article
Synthesis and in vitro Antifungal Efficacy of Copper-silica
Nanocomposites against Pathogenic Fungi of Rice
Nguyen Thi Thanh Hai1,, Ton Nu My Phuong1, Nguyen Viet Luong1,
Đao Khac Toan1, Tran Thai Hoa1, Nguyen Thi Thu Thuy2 1University of Sciences, Hue University, 77 Nguyen Hue, Hue City, Vietnam
2University of Agriculture and Forestry, Hue University, 102 Phung Hung, Hue City, Vietnam
Received 05 April 2020
Revised 02 June 2020; Accepted 02 June 2020
Abstract: In this study, copper-silica nanocomposites were synthesized by using silica nanoparticles extracted from rice husks as carriers for copper nanoparticles Copper-silica nanocomposites (Cu-silicaNPs) were synthesized by a simple and effectively chemical reduction process with hydrazine as a reducing agent Cu-silica NPs were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, high-resolution transmission microscopy, infrared spectroscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy The average size of nanocomposite materials is about 20 nm Cu-silica NPs products had a high inhibitory effect on Pyricularia oryzae
and Rhizoctonia solani, causing rice blast and sheath blight
Keywords: Copper nanoparticles, silica nanoparticles, nanocomposites, antifungal activity,
Pyricularia oryzae, Rhizoctonia solani
Corresponding author
(2)N.T.T Hai et al / VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 36, No (2020) 51-61 52
Tổng hợp vật liệu nanocomposite đồng - silica thử nghiệm khả kháng nấm gây bệnh lúa
Nguyễn Thị Thanh Hải1,, Tôn Nữ Mỹ Phương1, Nguyễn Viết Lượng1,
Đào Khắc Toản1, Trần Thái Hòa1, Nguyễn Thị Thu Thủy2, 1Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế, 77 Nguyễn Huệ, Huế, Việt Nam 2Trường Đại học Nông lâm, Đại học Huế, 102 Phùng Hưng, Huế, Việt Nam
Nhận ngày 05 tháng năm 2020
Chỉnh sửa ngày 02 tháng năm 2020; Chấp nhận đăng ngày 02 tháng năm 2020
Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, tổng hợp vật liệu nanocomposite đồng –silica cách sử dụng hạt nanosilica tách từ vỏ trấu làm chất mang để gắn hạt nano đồng.Vật liệu nanocomposite đồng - silica (Cu-silicaNPs) tổng hợp quy trình khử hóa học đơn giản hiệu với chất khử hydrazine Sản phẩm Cu-silica NPs đặc trưng nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua, hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao, phổ hồng ngoại tán sắc lượng tia X Kích thước trung bình vật liệu composite khoảng 20nm Vật liệu nanocomposite Cu-silica có hiệu lực ức chế cao nấm Pyricularia oryzae Rhizoctonia solani gây bệnh đạo ôn khô vằn lúa
Từ khóa: nano đồng, nano silica, nanocomposite, khả kháng nấm, Pyricularia oryzae, Rhizoctonia solani
1 Mở đầu
Vật liệu nano kim loại thu hút quan tâm lớn năm gần đặc tính ứng dụng chúng nhiều lĩnh vực như: quang, điện, từ, cơ, xúc tác, mỹ phẩm công nghệ sinh học [1-3] Trong số nano kim loại, nano đồng (CuNPs) vật liệu nhiều quan tâm có trữ lượng lớn giá thành rẻ so với vàng bạc [4] Hiện nay, CuNps tổng hợp nhiều phương pháp khác như: phân hủy nhiệt [5], phương pháp polyol [6], khử hóa học [7], phương pháp xạ [8], nhiệt vi sóng [9], vi nhũ tương [10],…
Tuy nhiên, đồng dạng kim loại nhanh bị oxy hóa thành oxit bền mặt nhiệt động
Tác giả liên hệ
Địa email: nguyenthanhhai@hueuni.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1140/vnunst.5056
(CuxO (x = 1,2)) [11-13] Vì vậy, vấn đề thách
thức quy trình tổng hợp vật liệu CuNPs thu hạt nano đồng kim loại ổn định giảm thiểu oxi hóa chúng Gần đây, có nghiên cứu cho thấy đồng kim loại khơng bị thay đổi gắn lên chất mang TiO2, SiO2 ZnO [14,15] Trong
(3)N.T.T Hai et al / VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 36, No (2020) 51-61 53
vi khuẩn nấm [18] cao đáng kể so với loại vật liệu nano khác [19] Các chế hoạt động sinh học xác định, đặc biệt tác động vi sinh vật tế bào thực vật động vật Theo số nghiên cứu, tích tụ hòa tan đồng màng vi khuẩn làm thay đổi tính thấm nó, dẫn đến giải phóng lipopolysacarit, protein, sinh khối nội bào phân tán động lực proton màng plasma [20] Một giả thuyết khác cho loại oxy hoạt động (ROS) tạo ion giải phóng từ hạt nano gây q trình oxy hóa phá hủy cấu trúc tế bào [21] Sự hấp thu ion kim loại bề mặt vật liệu nano làm giảm tạo thành ATP nội bào phá vỡ chép DNA [22] Các ion đồng giải phóng khỏi bề mặt hạt nano tương tác với phân tử sinh học chứa phốt lưu huỳnh DNA protein để làm biến dạng cấu trúc phá vỡ q trình sinh hóa chúng [23] Mặt khác, khơng có liệu đáng tin cậy giải thích rõ ràng chế hoạt động đồng gây độc tính tế bào tế bào người Một số tài liệu cho thấy rằng, độc tính vật liệu Cu/CuxO liên quan đến q trình oxy hóa
do tạo loại oxy hoạt động (ROS) kích ứng oxy hóa [24] Các nghiên cứu khác cho thấy mối tương quan độc tính độ hịa tan tương đối cao oxit đồng mơi trường sinh học [19] Tuy nhiên, tất chế, đặc biệt điều kiện nhiệt độ chưa giải cách đầy đủ chi tiết
Silica (SiO2) nhiều nhà nông học
quan tâm, đặc biệt nano silica vô định hình có hoạt tính cao, dễ hấp thu Silica giúp cho trồng tăng khả kháng loại căng thẳng (plant stress) từ tối ưu hóa suất trồng, tăng hiệu kinh tế [25] Một số nghiên cứu cho silica tạo khả chống chịu nhiều loại trồng loại sâu bệnh trùng có hại đóng góp vào việc giảm tỷ lệ sử dụng thuốc trừ sâu thuốc trừ nấm bệnh [26] Cây cung cấp đủ silica tạo chất diệp lục thuận lợi, tăng khả quang hợp, tăng hiệu sử dụng P N, giảm thiểu nước nên có khả chống hạn, chống nóng,
chống úng tốt, tăng khả chống oxy hóa, giảm tác hại hút nhiều Fe, Al Mn [27] Riêng lúa hàm lượng silica có cao, khoảng từ 2,63 % đến 13,13 % [28] Điều chứng tỏ, lúa có nhu cầu silica lớn Silica có vai trị lúa như: tổng hợp carbohydrate, tăng suất hạt, tổng hợp phenolic bảo vệ thành tế bào thực vật [29]
Trong nghiên cứu này, tổng hợp vật liệu nanocomposite đồng - silica phương pháp khử hóa học với chất khử hydrazine Ở đây, sử dụng nano silica tách trực tiếp từ vỏ trấu để tận dụng nguồn thải ngành nông nghiệp Ưu điểm phương pháp điều kiện, thiết bị đơn giản, phản ứng xảy nhanh hiệu Cu-silicaNPs tổng hợp sử dụng để đánh giá khả kháng nấm Pyricularia oryzae Rhizoctonia solani gây bệnh đạo ôn khô vằn lúa
2 Phương pháp nghiên cứu
2.1 Hóa chất
- Vỏ trấu lấy tỉnh Thừa Thiên Huế Muối đồng (II) sulfate pentahydrate (CuSO4.5H2O, độ tinh khiết 98%), hydrazine
monohydrate (N2H4.H2O, nồng độ 80%) sử
dụng hãng Merck (Đức) Amoni hydroxit (NH4OH, 25%) Trung Quốc
- Nguồn nấm Pyricularia oryzae
Rhizoctonia solani được phân lập từ lúa bị
bệnh đạo ôn khô vằn Thừa Thiên Huế bảo quản phòng nghiên cứu bệnh cây, môn bảo vệ thực vật, trường Đại học Nông lâm Huế
(4)N.T.T Hai et al / VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 36, No (2020) 51-61 54
thể Cu-silica NPs thu Ảnh SEM TEM, HRTEM xác định hình thái cấu trúc kích thước; phổ EDX phân tích thành phần hóa học vật liệu
2.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu 2.3.1 Tổng hợp nano silica từ vỏ trấu Đốt vỏ trấu để thu tro trấu Nung tro trấu 500oC trong điều kiện hiếu khí
cho cháy hết cacbon thu chất rắn màu trắng Ngâm hỗn hợp dung dịch HCl 1M để loại hết oxit kim loại Rửa nhiều lần nước để loại bỏ ion Cl-, lọc, sấy
khô nghiền bi, thu nano silica vơ định hình 2.3.2 Tổng hợp vật liệu nanocomposite đồng - silica
Cân 0,5 g silica cho vào bình tam giác chứa 50 mL nước cất Hỗn hợp khuấy máy khuấy từ gia nhiệt Thêm 1.5 mL NH4OH 5%
vào dung dịch Sau cho thêm vào 0.5 mL dung dịch CuSO4.5H2O 1mM Lúc hỗn hợp
dung dịch có màu xanh dương tạo thành phức [Cu(NH3)4]2+ Gia nhiệt hỗn hợp đến 100 oC, sau nhỏ từ từ mL dung dịch N
2H4.H2O
để thực phản ứng [30] Sau phút, hỗn hợp phản ứng có màu đỏ đặc trưng nano đồng Ly tâm, rửa kết tủa ethanol, sấy chân không thu sản phẩm nanocomposite Cu - silica 2.4 Phương pháp đánh giá khả kháng nấm
Khả kháng nấm đánh giá cách nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ Cu-silica NPs đến sinh trưởng nấm
Pyricularia oryzae và Rhizoctonia solani: Môi trường Potato Dextro Agar (PDA) có bổ sung dung dịch Cu-silicaNPs với nồng độ 50, 70 100 ppm (tính theo nồng độ Cu2+ ban
đầu) Các khoanh nấm ngày tuổi có đường kính mm cấy vào trung tâm đĩa Petri (Ø = cm) chứa môi trường, nuôi cấy 28 °C Theo dõi đường kính tản nấm Pyricularia oryzae và
Rhizoctonia solani sau ngày nuôi cấy [31] Khả kháng nấm Cu-silicaNps xác định sau:
HLUC (%) = (𝐷−𝑑)𝐷 × 100
Trong HLUC hiệu lực ức chế; D (mm) đường kính khuẩn lạc nấm môi trường PDA không bổ sung Cu-silica NPs (đối chứng);
d đường kính khuẩn lạc nấm mơi trường PDA có bổ sung Cu-silica NPs với nồng độ khác
3 Kết thảo luận
3.1 Giản đồ nhiễu xạ XRD
Hình trình bày giản đồ nhiễu xạ XRD vật liệu silica NPs Cu-silica NPs Chúng tơi nhận thấy đo XRD góc rộng (20÷80°), giản đồ nhiễu xạ XRD vật liệu Cu-silica NPs xuất peak tinh thể với cường độ cao hoàn toàn trùng khớp với phổ chuẩn kim loại đồng vị trí góc 2θ = 43,23o (d
hkl
=2,087Å), 2θ=50,37o (d
hkl=1,807 Å), 2θ = 74,11o
(dhkl =1,277 Å) tương ứng với mặt (111), (200),
(220) thuộc ô mạng Bravais cấu trúc lập phương tâm diện kim loại Cu (JCPDSCard number 04-0836) [32] Điều cho phép khẳng có hình thành tinh thể Cu vật liệu tạo thành Mặt khác, giản đồ XRD không thấy xuất peak đặc trưng CuO, Cu2O
hay Cu(OH)2 chứng tỏ vật liệu tổng hợp
được thành phần chủ yếu Cu Ngồi ra, Hình cịn xuất đỉnh nhiễu xạ tia X có độ rộng bán phổ lớn nằm khoảng 19-22o,
chứng tỏ vật liệu có kích thước hạt nhỏ cường độ yếu, gần vơ định hình Đây peak silica vơ định hình
(5)N.T.T Hai et al / VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 36, No (2020) 51-61 55
Từ giản đồ nhiễu xạ XRD, sử dụng phương trình Scherer (1) phần mềm OriginPro 8.5.1 chúng tơi tính kích thước trung bình tinh thể nano Cu vật liệu nano composite Cu - silica tương ứng 17 nm
D = 𝑘λ
𝛽𝑐𝑜𝑠𝜃 (1)
Trong đó: D kích thước trung bình vi tinh thể (nm); k = 0.9 số khơng có thứ ngun; λ = 0.15406 nm bước sóng tia xạ X; β chiều rộng nửa chiều cao peak (FWHM) (radians); θ góc nhiễu xạ (radians) 3.2 Ảnh SEM
Ảnh SEM vật liệu Cu-Silica NPs thể Hình Chúng tơi nhận thấy, hạt nano Cu-Silica có kích thước đồng đều, gần với dạng cầu với đường kính trung bình xấp xỉ khoảng 100 nm không bị co cụm thành đám
Hình Ảnh SEM vật liệu Cu-silica NPs 3.3 Ảnh TEM
Ảnh TEM mẫu vật liệu silicaNPs Cu-silicaNPs tổng hợp đưa Hình Ảnh TEM cho thấy rõ ràng cấu trúc bên vật liệu Có thể thấy, vật liệu Cu-silicaNPs thực khơng phải có hạt có kích thước xấp xỉ 100 nm quan sát ảnh SEM, mà hạt lại chứa hạt có kích thước nhỏ hơn, xấp xỉ 20 nm, chúng kết hợp với
nhau để tạo hạt lớn quan sát thấy ảnh SEM Kích thước trung bình hạt cầu mẫu nano silica (Hình 3a, b) nanocomposit Cu - silica (Hình 3c, d) xấp xỉ khoảng 20 nm chứng tỏ hạt nano Cu tạo thành có kích thước trung bình khoảng 20 nm phân bố ma trận nano silica Điều phù hợp với kích thước trung bình tinh thể Cu tính phổ XRD 17 nm 3.4 Ảnh HRTEM
Để phân tích rõ cấu trúc Cu-silicaNPs tiến hành chụp ảnh HRTEM vật liệu, kết thể Hình Từ Hình 4a thấy, hạt Cu-silica NPs tổng hợp phân bố đồng thể hình thái cầu với đường kính trung bình khoảng 20 nm Trên khối cầu xuất vùng có mặt phẳng song song cách nhau, vùng tinh thể nano đồng Những vùng cịn lại silica vơ định hình Qua thấy hạt nano đồng hình thành gắn chất mang nano silica
Thông tin cấu trúc khác vật liệu Cu-silica NPs thu từ hình ảnh HRTEM hiển thị Hình 4b Khoảng cách d mạng tinh thể nhìn thấy rõ ràng, xác nhận hạt nano đồng tổng hợp tinh thể Khoảng cách d 0,21 nm tìm thấy cách đo khoảng cách mặt phẳng Hình 4b Khoảng cách phù hợp với mặt phẳng (111) pha fcc kim loại Cu 0,21 nm [33]
3.5 Phổ hồng ngoại IR
Phổ hồng ngoại vật liệu silicaNPs Cu-silicaNPs thể Hình Về bản, phổ IR silica thể dao động nhóm Si–O–Si nằm vùng từ 400 - 1300 cm-1
(Hình 5a) Dải nằm khoảng 1000 - 1300 cm-1 liên quan đến dao động kéo giãn bất đối
(6)N.T.T Hai et al / VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 36, No (2020) 51-61 56
O–Si, oxy di chuyển xấp xỉ theo góc vng đến đường Si–Si mặt phẳng Si–O–Si [36] Cuối cùng, dải nằm xung quanh 460 cm-1 dao động biến
dạng Si–O–Si [36] Ngoài ra, peak rộng khoảng 3468 cm-1 tương ứng với dao động hóa
trị nhóm OH nước có vật liệu Khi có mặt Cu ma trận silica, vật liệu Cu-silica NPs thể dao động điển vật liệu silicaNPs, nhiên peak
đã có dịch chuyển số sóng thể Bảng Dải hấp thụ vùng 962.5 cm-1
chính dao động kéo dãn đối xứng nhóm Si–OH vật liệu silicaNPs (Hình 5a) Sau đưa Cu vào hình thành liên kết dị vịng Si– O–Cu số sóng dao động liên kết dịch chuyển đáng kể phía 958.6 cm-1 (Hình 5b)
Điều gián tiếp khẳng định đưa Cu vào ma trận silica [37] Hơn nữa, Hình 5b cho thấy khơng có peak IR đặc trưng CuO 400, 510 600 cm-1 [38]
(7)N.T.T Hai et al / VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 36, No (2020) 51-61 57
Hình (a) Ảnh HRTEM vật liệu Cu-silica NPs (b) khoảng cách d mạng tinh thể nano đồng Bảng 1 Sự dịch chuyển peak phổ IR vật liệu Cu-silicaNPs
Số sóng (cm-1)
Mô tả
SilicaNps Cu-silicaNPs
3446.8 3429.4 dao động hóa trị nhóm OH H2O
1637.6 1636.6 dao động uốn H2O bao quanh silica
1103.3 1145.7 dao động kéo dãn bất đối xứng Si–O–Si
962.5 958.6 dao động kéo dãn đối xứng Si–OH
(silicaNPs) Si–O–Cu (Cu-silicaNPs)
794.7 798.5 dao động uốn Si–O–Si
470.6 462.9 dao động biến dạng Si–O–Si