xạ dùng CTTN làm chất ổn định
3.2.1. Phổ UV-Vis của dung dịch CTTN, Au3+/CTTN và dung dịch vàng nano
ổn định trong CTTN (Au/CTTN)
Các mẫu muối vàng Au3+ ban đầu có màu vàng, sau khi chiếu xạ ở các liều xạ khác nhau, màu chuyển sang màu đỏ tía (hình 3.7). Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis trình bày trên hình 3.8a cho thấy các dung dịch CTTN và Au3+/CTTN trước chiếu xạ không có đỉnh hấp thụ trong vùng khả kiến. Tuy nhiên trong vùng tử ngoại, dung dịch Au3+ 0,25 mM có đỉnh hấp thụ đặc trưng tại 290 nm (max). Khi hòa tan trong
62
nước, muối clorua Au3+ phân ly thành ion AuCl4- có max trong khoảng 226-300 nm do sự chuyển điện tử giữa Au3+ với phối tử clo [19, 21, 50].
Hình 3.7.Màu của dung dịch vàng ion (a) và dung dịch vàng nano sau khi chiếu xạ (b)
Hình 3.8. Phổ UV-Vis của dung dịch CTTN, Au3+ 1 mM/CTTN 1%, Au0/CTTN (a) và dung dịch Au0/CTTN theo liều chiếu xạ (b)
Ngoài ra, theo kết quả nghiên cứu của nhiều công trình khác cũng cho thấy giá trị max của dung dịch AuCl4-/phối tử còn tùy thuộc vào loại phối tử tạo phức với AuCl4-, ví dụ như AuCl4-/citric max 310 nm [153], AuCl4-/cyanua max 316 nm [144], AuCl4-/SDS max 293 nm [21], AuCl4-/CTAC max 325 nm [114],.. .
Dung dịch vàng nano có đỉnh hấp thụ tại max~522 nm, đây là đỉnh hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt đặc trưng của vàng nano do sự dao động cộng hưởng giữa photon ánh sáng tới với electron vùng dẫn của vàng nano, hiện tượng này không có đối với vàng khối [100, 157].
CTTN Au3+/CTTN Au0/CTTN a b Bước sóng, nm C ườ ng độ h ấ p t h ụ Bước sóng, nm C ườ ng độ h ấ p t h ụ a b
63
Hình 3.9. Cường độ hấp thụ của dung dịch vàng nano/CTTN theo liều xạ (Au3+ 1 mM/ CTTN 1% pha loãng bằng nước 1/10)
Kết quả phổ hấp thụ của dung dịch Au3+ 1 mM/CTTN 1% theo liều chiếu xạ (hình 3.8b) cho thấy, mật độ quang (OD) ở max ~522 nm tăng dần theo liều xạ và đạt giá trị ổn định trong khoảng liều 6-8 kGy (hình 3.9). Như vậy, khi chiếu xạ dung dịch Au3+ 1 mM /CTTN 1% đạt liều hấp thụ 6-8 kGy đã chuyển hóa hoàn toàn Au3+ thành Auo bởi tác nhân khử là e–aq, H và gốc tự do CTTN sinh ra trong quá trình chiếu xạ và liều 8 kGy được gọi là liều xạ chuyển hóa bão hòa [16, 20, 63, 124]. Giá trị này cũng tương đối phù hợp với tính toán lý thuyết về hiệu suất khử Au3+ thành Auo bằng bức xạ, để khử hoàn toàn 1 mM Au3+ cần liều xạ 6 kGy [16].
Trong quá trình chế tạo dung dịch keo kim loại nano (Ag, Au,..) bằng phương pháp chiếu xạ, thường các chất có khả năng bắt gốc tự do OH như là các ancol cần
được bổ sung vào dung dịch trước khi chiếu xạ, do OH có tính oxi hóa kim loại
thành ion kim loại nên gây ảnh hưởng đến sự hình thành và ổn định kích thước hạt kim loại nano. Tuy nhiên, theo kết quả nghiên cứu về khả năng chống oxi hóa của chitosan cắt mạch bởi bức xạ gamma Co-60 của nhóm tác giả Feng và cộng sự (2008) [49] cho thấy các nhóm hydroxyl và nhóm amin trên mạch chitosan có khả năng phản ứng với các gốc tự do (OH) chuyển hóa thành gốc tự do đại phân tử CTS, các gốc tự do này có thể khử Ag+, Au3+ đến hóa trị thấp hơn.
Liều xạ, kGy C ườ ng độ h ấ p t h ụ
64
Ngoài ra, trên các nhóm hydroxyl (–OH), amin (–NH2) và nhóm aminoaxetyl (-NHCOCH3) trong mạch CTTN còn các cặp electron tự do chưa tham gia liên kết nên có khả năng tạo phức với các kim loại. Do vậy, CTTN được sử dụng đồng thời như là chất khử, chất bắt gốc tự do và chất ổn định dung dịch vàng và bạc nano [4, 28, 42, 47, 66, 106, 136]. Hiệu ứng bắt gốc tự do OH của protein hoặc các polysacarit khác như alginat [20], tinh bột [71], gum arabic [150],.. trong quá trình khử Au3+ thành dung dịch vàng nano bằng bức xạ gamma cũng đã được minh chứng [4, 16, 20, 63]. Trên cơ sở đó, các mẫu dung dịch vàng nano/CTTN chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 của luận án này không sử dụng chất khử hóa học và không bổ sung thêm chất bắt gốc tự do OH.
3.2.2. Ảnh TEM và sự phân bố kích thuớc hạt của dung dịch vàng nano dùng CTTN làm chất ổn định
Qua sự thay đổi về màu sắc của dung dịch ion trước và sau khi chiếu xạ cùng với phổ đồ UV và ảnh TEM thu được có thể kết luận rằng quá trình khử ion Au3+ thành Auo đã diễn ra. Các nguyên tử vàng vừa tạo thành nhanh chóng kết hợp với nhau để tạo thành cụm (cluster) và tiếp tục phát triển thành hạt lớn hơn. Cơ chế khử Au3+ về vàng nano đã được trình bày trong chương 1 (mục 1.1.13.2).
Hình 3.10.Ảnh TEM và sự phân bố kích thước hạt của dung dịch vàng nano (Au 0,1 mM/CTTN 1%) 0 10 20 30 40 50 2 4 6 8 10 12 dtb, nm T ầ n s ố , % 4,58 ± 0,63 nm
65
So với các công trình chế tạo dung dịch vàng nano bằng phương pháp chiếu xạ đã được công bố thì tính mới, tính sáng tạo của luận án được thể hiện ở việc chế tạo và sử dụng CTTN, một polime tự nhiên với những tính chất đáng quý như: tính phân hủy sinh học, tương hợp sinh học và không gây độc môi trường [83, 115], có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxi hóa, chống ung thư, tăng miễn dịch [116, 159], có hiệu ứng kích kháng bệnh thực vật (elicitor) [3, 68, 95, 152] và đặc biệt có khả năng tan trong nước trong khoảng pH rộng (pH= 2-12), đã được sử dụng với vai trò đồng thời vừa là chất bắt gốc tự do vừa là chất ổn định kích thước hạt vàng nano. Trong mạch của CTTN có chứa nhiều nhóm chức giàu điện tử như nhóm amin (-NH2), aminoaxetyl (-NHCOCH3) và nhóm hydroxyl (-OH). Nhờ vậy, hạt vàng tạo thành trong dung dịch được bảo vệ bởi các nhóm chức giàu điện tử và hiệu ứng ức chế không gian do đó kích thước vàng nano được ổn định. Điều này thể hiện trong ảnh TEM của mẫu Au3+ 0,1 mM/CTTN 1% với kích thước hạt trung bình 4,58 ± 0,63 nm với sự phân bố kích thước hạt theo kiểu hình chuông (hình 3.10).
3.2.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của dung dịch vàng nano dùng CTTN làm chất ổn định
Kết quả từ giản đồ nhiễu xạ tia X minh chứng sự tồn tại cấu trúc hạt vàng nano trong dung dịch vàng thu được bằng phương pháp chiếu xạ dùng CTTN làm chất ổn định. Trong khi giản đồ XRD của CTTN (hình 3.5b) chỉ có đỉnh hấp phụ tại góc 2- theta là 200 của CTTN thì dung dịch vàng nano được ổn đinh bằng CTTN (hình 3.11) lại xuất hiện đỉnh trong phổ đồ tại 38,20; 44,60; 64,70 và 77,80 tương ứng mặt tâm thể 111, 200, 220 và 311 của hạt vàng nano có cấu trúc hình lập phương tâm khối (face centered cubic – fcc) [63, 67].
66
Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của vàng nano/CTTN
Huang và cộng sự (2007) [67] dùng tia UV chế tạo vàng nano ổn định trong cacboxylmetylchitosan (CMC) cũng ghi nhận các góc 2θ thu được từ giản đồ nhiễu xạ tia X là 38,20; 44,30; 64,50; và 77,60 tương ứng với mặt tâm thể 111, 200, 220, 311 của vàng nano. Kết quả này cũng tương đồng với nhiều công trình khác khi chế tạo vàng nano bằng các phương pháp khác nhau [22, 40, 63, 67, 89].
3.2.4. Phổ hồng ngoại của của dung dịch vàng nano dùng CTTN làm chất ổn
định
Để minh chứng sự liên kết giữa chất ổn định (CTTN) và vàng nano, phổ hồng ngoại của CTTN và của dung dịch vàng nano được ổn định trong CTTN đã được đo trong khoảng bước sóng từ 400 - 4000 cm-1 và thể hiện trong hình 3.12. Kết quả từ phổ hồng ngoại của mẫu CTTN (hình 3.12a) thể hiện các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho các nhóm chức như sau: 3445 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm - OH, 2933 cm-1 và 2885 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm -CH2, 1658 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết CO- NH, 1554 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm -NH, 1442 cm-1 đặc trưng cho dao
động cộng hưởng của liên kết C-N và N-H, 1070 cm-1 đặc trưng cho dao động của
nhóm C-OH của ancol bậc hai và 1031 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm C- OH của ancol bậc một, 897 cm-1 là dao động của vòng glucozit [84].
C
ườ
ng
độ
67
Hình 3.12. Phổ hồng ngoại của mẫu CTTN (a) và vàng nano/CTTN (b)
Phổ hồng ngoại của dung dịch vàng nano được ổn định trong CTTN được thể hiện trong hình 3.12b. Kết quả cho thấy có sự thay đổi về cường độ và sự dịch chuyển bước sóng tại một vài đỉnh hấp thụ cụ thể là: cường độ hấp thụ đặc trưng cho nhóm -OH trong dung dịch vàng nano nhỏ hơn trong dung dịch CTTN và có sự dịch chuyển bước sóng từ 3455 cm-1 (CTTN) sang 3408 cm-1 (vàng nano/CTTN). Tương tự, có sự giảm cường độ hấp thụ tại bước sóng đặc trưng cho dao động của liên kết CO-NH và -NH, cùng với đó là sự dịch chuyển bước sóng từ 1659 cm-1 sang bước sóng 1647 cm-1 của liên kết C=O và 1555 cm-1 sang 1550 cm-1 của liên kết N-H. Nguyên nhân thay đổi cường độ hấp thụ của nhóm chức và sự dịch chuyển bước sóng được giải thích là do hạt vàng nano tạo liên kết với nguyên tử oxi và nitơ trên mạch CTTN. Chính sự liên kết này đã bảo vệ hạt vàng nano tránh khỏi quá trình keo tụ cũng như minh chứng cơ chế bảo vệ hạt vàng nano của CTTN khi được dùng làm chất ổn định.
Huang và cộng sự (2007) [67] khi dùng CMC ổn định dung dịch vàng nano, sự dịch chuyển bước sóng và thay đổi cường độ hấp thụ cũng được nhận thấy khi so sánh phổ hồng ngoại của CMC và vàng nano/CMC. Bước sóng dịch chuyển từ 1610 cm-1 (CMC) sang bước nhỏ hơn 1606 cm-1 (vàng nano/CMC) và cường độ đỉnh hấp
a b Độ truy ề n qua , % Số sóng, cm-1
68
thụ tại bước sóng này tăng khi có mặt vàng nano đã chứng tỏ sự tạo thành liên kết giữa vàng nano với nguyên tử nitơ trên CMC. Trong công trình khác, Fan và cộng sự (2008) [47] điều chế dung dịch vàng nano bằng phương pháp vi sóng cũng ghi nhận sự dịch chuyển bước sóng từ 1572 cm-1 và 1448 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C=O và N-H trong chitosan sang bước sóng 1562 cm-1 và 1418 cm-1 trong vàng nano/chitosan được cho là sự tạo thành liên kết của vàng nano với nguyên tử nitơ trong mạch chitosan. Nghiên cứu của Hussain và cộng sự (2009) [71] cũng dùng phổ hồng ngoại để minh chứng sự tương tác giữa hạt vàng nano với nguyên tử oxi trong nhóm -OH trên mạch tinh bột. Kết quả từ phổ hồng ngoại cho thấy sự giảm gần như hoàn toàn đỉnh hấp thụ đặc trưng của nhóm -OH trong mẫu Au nano/tinh bột so với mẫu tinh bột nguyên chất, chứng tỏ liên kết giữa Au-O được hình thành. Sự giảm cường độ hấp thụ của nhóm -OH trong vàng nano/CTTN được nhận thấy nhưng không nhiều bằng vàng nano/tinh bột, nguyên nhân là do trong CTTN ngoài oxi trên nhóm -OH thì nguyên tử nitơ trên nhóm -NH2 và nhóm - NHCOCH3 cũng có ái lực mạnh đối với vàng nano.
Kết quả thu được từ phổ UV-Vis hình 3.8a cũng xác nhận sự tạo phức của ion Au3+ với CTTN. Trong khi phổ UV-Vis của mẫu CTTN không xuất hiện đỉnh hấp thụ nào trong khoảng bước sóng từ 200 đến 800 nm thì mẫu CTTN có chứa Au3+ xuất hiện đỉnh hấp thụ tại bước sóng ~290 nm ứng với sự tạo liên kết phối trí của Au3+ với các nhóm chức trên mạch CTTN. Từ những kết quả trên có thể đề nghị cơ
chế ổn định hạt vàng nano trong dung dịch CTTN như trên hình 3.13. Hạt vàng
nano được bảo vệ bởi các nhóm chức giàu điện tử và hiệu ứng phối trí không gian.
69
3.3. Ảnh hưởng nồng độ Au3+đến đặc trưng của dung dịch vàng nano
Bảng 3.4. Bước sóng (max), liều bão hòa (Dbh) và kích thước hạt trung bình (dtb) của dung dịch vàng nano ổn định trong CTTN 1% (Mw ~ 155.000 g/mol) với nồng
độ Au3+ khác nhau ở pH=7,5-8, suất liều 1,33 kGy/giờ
STT [Au3+], mM Dbh, kGy OD λmax dtb(nm)
1 0,10 1 0,403 511,0 4,58 ± 0,63
2 0,25 2 0,396 517,0 6,28 ± 0,67
3 0,50 4 0,384 519,0 7,82 ± 0,92
4 1,0 8 0,375 522,0 9,80 ± 1,06
5 2,0 16 0,354 530,0 15,57 ± 1,60
Hình 3.14. Phổ UV-Vis của dung dịch vàng nano/CTTN theo nồng độ Au3+
y = -0.2211x2 + 5.9688x + 4.4494 R2 = 0.9903 0 5 10 15 20 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00
Hình 3.15. Sự tương quan kích thước hạt của dung dịch vàng nano/CTTN theo nồng độ Au3+ 0,1; 0,25; 0,5; 1,0 và 2,0 mM [Au3+], mM dtb, nm Bước sóng, nm C ườ ng độ h ấ p th ụ
70
Kết quả bảng 3.4, hình 3.14 cho thấy nồng độ Au3+ ban đầu có ảnh hưởng
đáng kể đến các đặc trưng của dung dịch vàng nano sử dụng CTTN 1% có ĐĐA
49,2% và KLPT 155.000 g/mol làm chất ổn định. Cụ thể như sau: Mật độ quang OD giảm từ 0,403 ở nồng độ Au3+ 0,1 mM xuống còn 0,354 ở nồng độ Au3+ 2,0 mM và max tăng từ 511 nm (0,1 mM) lên 530 nm (2,0 mM). Liều xạ chuyển hóa bão hòa tăng theo nồng độ Au3+. Ở nồng độ Au3+ là 1 mM liều bão hòa là 8 kGy còn
ở nồng độ 2,0 mM liều bão hòa tăng tới 16 kGy. Đường kính trung bình của hạt
vàng nano đạt được trong khoảng 5–16 nm và tăng theo nồng độ Au3+ theo phương trình: d (nm) = -0,2211[Au3+]2 + 5,9688[Au3+] + 4,4494 (R2 = 0,9903) (hình 3.15).
Đối với dung dịch vàng nano có nồng độ Au3+ ban đầu thấp (0,1 và 0,5 mM)
thì kích thước hạt trung bình nhỏ và độ phân bố kích thước hạt hẹp, ngược lại ở nồng độ Au3+ cao (1,0 và 2,0 mM) thì kích thước hạt trung bình lớn và độ phân bố kích thước hạt rộng (hình 3.16). Điều này được giải thích là do ở nồng độ Au3+ cao để khử hết ion Au3+ thành Auo thì cần phải có lượng chất khử ( eaq, H●) lớn, dẫn tới sự tăng liều xạ chuyển hóa bão hòa. Mặt khác, khi ion Au3+ được khử hết thành vàng nguyên tử Auo thì do nồng độ ban đầu của Au3+ cao nên nồng độ hạt vàng tạo ra lớn trong khi đó nồng độ chất ổn định lại không tăng nên các hạt tạo ra kết tụ với nhau tạo thành hạt lớn. Kết quả là ở nồng độ Au3+ cao hạt vàng tạo ra có kích thước trung bình lớn và độ phân tán rộng còn ở nồng độ Au3+ thấp thì ngược lại, nồng độ hạt vàng nguyên tử tạo thành nhỏ nên chúng được ổn định tốt hơn và do vậy kích thước hạt cũng nhỏ hơn. Ngoài ra, theo kết quả thu được ở bảng 3.4, đặc trưng của dung dịch vàng nano tại các nồng độ Au3+ 0,1 mM; 0,25 mM và 0,5 mM hầu như thay đổi không đáng kể. Điều này cho thấy, ở nồng độ Au3+ nhỏ, ảnh hưởng không
đáng kể đến đặc trưng của dung dịch vàng nano. Ở nồng độ Au3+ cao, sự thay đổi
nồng độ ảnh hưởng mạnh tới đặc trưng của dung dịch vàng nano, cụ thể khi tăng nồng độ Au3+ từ 1 mM đến 2 mM, kích thước hạt vàng nano tăng tương ứng từ 9,80 lên 15,57 nm. Hạt vàng nano thu được ngoài dạng hình cầu còn có hình đa giác.
71 Dung dịch vàng nano 0,1 mM/CTTN 1% Dung dịch vàng nano 0,25 mM/CTTN 1% Dung dịch vàng nano 0,5 mM/CTTN 1% 0 10 20 30 40 50 2 4 6 8 10 12 dtb, nm T ầ n s ố , % 4,58 ± 0,63 nm 0 20 40 60 80 100 2 4 6 8 10 12 dtb, nm T ầ n s ố , % 6,28 ± 0,67 nm 0 10 20 30 40 50 4 6 8 10 12 14 16 18 dtb, nm T ầ n s ố , % 7,82 ± 0,92 nm
72
Dung dịch vàng nano 1,0 mM/CTTN 1%
Dung dịch vàng nano 2,0 mM/CTTN 1%
Hình 3.16.Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của dung dịch vàng nano/CTTN với nồng độ Au3+ 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; và 2,0 mM
Nguyễn Quốc Hiến và cs (2009) [4] khi chế tạo dung dịch vàng nano bằng