9. Kết cấu của luận án
3.1.2.Sử dụng dịch chiết lá Huyết dụ làm chất khử
3.1.2.1. Kết quả chiết tách và tổng hợp nano bạc
a. Hàm lượng anthocyanin có trong dịch chiết lá Huyết dụ
Theo một số nghiên cứu đã công bố, lá Huyết dụ (Cordyline fruticosa L.) chứa các hợp chất như anthocyanin, saponin, flavonoid, flavonol, chlorophyll, glucoside... trong đó anthocyanin là thành phần chính của lá Huyết dụ đỏ [93, 94]. Các hợp chất này đều có khả năng khử ion bạc tạo thành nano bạc [58, 62]. Tuy nhiên, hàm lượng các hợp chất này trong lá Huyết dụ phụ thuộc vào thời điểm thu hoạch, thổ nhưỡng, phương pháp chiết [215]. Do đó, việc xác định hàm lượng các chất có trong dịch chiết lá Huyết dụ, đặc biệt là hợp chất anthocyanin, là cần thiết để định lượng được tác nhân khử trong quá trình tổng hợp nano bạc.
Trong nghiên cứu này, hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết lá Huyết dụ được xác định bằng phương pháp pH vi sai [188]. Từ phổ hấp thụ của dịch chiết lá Huyết dụ ở pH = 1 và pH = 4,5 trong Hình 3.7 cho thấy bước sóng hấp thụ cực đại của anthocyanin là 519 nm.
82
Bảng 3.2: Hàm lượng anthocyanin có trong dịch chiết lá Huyết dụ
Mẫu
Mật độ quang tại pH = 1 Mật độ quang tại pH = 4,5 Hàm lượng anthocyanin (mg/l) max = 519 nm = 700 nm max= 519 nm = 700 nm Dịch chiết lá Huyết dụ 0,944 ± 0,012 0,000 0,087± 0,007 0,000 109,72 ± 0,63
Hình 3.7: Phổ hấp thụ của dịch chiết lá Huyết dụ ở pH = 1 và pH = 4,5.
Bảng 3.2 trình bày mật độ quang tại bước sóng 519 nm và 700 nm trong các môi trường pH = 1 và 4,5. Kết quả tính hàm lượng anthocyanin theo công thức được trình bày trong Phụ lục 4 là 109,72 ± 0,63 mg/l. Qua các thí nghiệm khảo sát nồng độ anthocyanin sử dụng để tổng hợp nano bạc, luận án chọn mức pha loãng dịch chiết lá Huyết dụ để nồng độ anthocyanin đạt 10 mg/l. Nồng độ anthocyanin này được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ bạc nitrat và thời gian phản ứng hiệu quả tổng hợp AgNPs.
b. Ảnh hưởng của nồng độ AgNO3
Qua các thí nghiệm khảo sát sơ bộ để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lớn đến quá trình tổng hợp nano bạc trong dung dịch lá Huyết dụ, nồng độ bạc nitrat và thời gian phản ứng là 2 yếu tố được chọn để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.
Ảnh hưởng của các nồng độ AgNO3 6, 10, 14, 18 mM tới quá trình tổng hợp nano bạc được thực hiện ở các điều kiện phản ứng: nhiệt độ 50℃, thời gian 6 giờ, nồng độ anthocyanin 10 mg/l, các điều kiện khác không thay đổi. Khi phản ứng xảy ra dung dịch chuyển từ màu hồng nhạt sang màu nâu đỏ và cường độ màu tăng dần theo thời gian phản ứng chứng tỏ sự hình thành nano bạc [70, 209]. Khi tăng nồng độ bạc nitrat trong hỗn hợp phản ứng, dung dịch nano bạc thu được sau quá trình tinh lọc (AgCol) có màu sắc thay đổi từ vàng đến nâu đỏ và xám nâu (Hình 3.8a). Quan sát phổ UV-Vis (Hình 3.8b) của dung dịch lá Huyết dụ (Col) ta thấy không xuất hiện peak trong khoảng bước sóng 300 - 700 nm, trong khi dung dịch AgCol xuất hiện peak tại khoảng bước sóng 436 - 478 nm. Bước sóng hấp thụ cực đại của dung dịch AgCol tăng dần theo sự tăng của nồng độ AgNO3 phản ứng. Theo các tài liệu nghiên
400 450 500 550 600 650 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Abso rb an ce (a .u) Wavelength (nm) pH1 pH4.5 max= 519 nm pH = 1 pH = 4.5 Bước sóng (nm) C ườ ng đ ộ hấ p th ụ (a .u )
83
cứu về nano bạc, các peak hấp thụ cực đại này là hiện tượng SPR của các hạt nano bạc hình cầu, có kích thước nhỏ hơn 50 nm và bước sóng hấp thụ cực đại càng lớn thì kích thước hạt nano bạc thu được càng to [216].
Hình 3.8: Màu sắc và phổ UV-Vis của dung dịch Col và AgCol khi thay đổi nồng độ AgNO3 phản ứng.
Từ Hình 3.8b cho thấy cường độ peak hấp thụ cao nhất tại bước sóng 470 nm tương ứng với nồng độ AgNO3 là 14 mM. Khi tiếp tục tăng nồng độ AgNO3 lên 18 mM thì cường độ peak hấp thụ giảm xuống, peak rộng hơn và dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn 478 nm. Điều này là do nồng độ bạc nitrat cao hơn thì tốc độ phản ứng nhanh, hạt nano bạc tạo thành có kích thước lớn hơn và số lượng hạt ít đi [207]. Peak hấp thụ cực đại càng nhọn thì sự phân bố kích thước hạt càng tập trung, tức là các hạt nano bạc càng đồng đều về kích thước. Do vậy, nồng độ AgNO3 14 mM được chọn để khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng.
c. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 2, 4, 6 và 8 giờ đến đặc tính của hạt nano bạc được nghiên cứu ở điều kiện: nhiệt độ 50℃, nồng độ AgNO3 14 mM, nồng độ anthocyanin 10 mg/l, các điều kiện khác không thay đổi. Sự biến đổi màu sắc của dung dịch trong quá trình tổng hợp nano bạc theo thời gian được trình bày trong Hình 3.9a. Kết quả phân tích phổ UV-Vis trên Hình 3.9b cho thấy sự xuất hiện peak hấp thụ cực đại tại bước sóng 463 nm sau 2 giờ phản ứng. Khi tăng thời gian phản ứng lên đến 6 giờ, peak hấp thụ cực đại hẹp hơn và cường độ peak tăng dần, cường độ peak đạt giá trị cực đại sau 6 giờ phản ứng. Điều này chứng tỏ với điều kiện tổng hợp như trên thời gian phản ứng càng lâu, hiệu quả càng tăng, lượng nano bạc tạo ra càng nhiều. Tuy nhiên, khi thời gian phản ứng tiếp tục tăng đến 8 giờ thì cường độ peak hấp thụ giảm xuống và bước sóng hấp thụ cực đại dịch chuyển về phía có bước sóng dài hơn 478 nm. Hiện tượng này có thể do kích thước của nano bạc tăng lên hoặc chúng kết tụ với nhau dẫn đến sự ổn định của hệ phân tán giảm đi, dung dịch AgCol dễ lắng hơn [207]. Từ kết quả phân tích này, luận án đã chọn thời gian phản ứng 6 giờ là phù hợp nhất trong giới hạn nghiên cứu.
Col 6 mM 10 mM 14 mM 18 mM (a) 300 350 400 450 500 550 600 650 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Abso rb an ce (a .u) Wavelength (nm) Col 6 mM 10 mM 14 mM 18 mM (b) Cư ờn g độ hấ p thụ (a.u) Bước sóng (nm)
84
Hình 3.9: Màu sắc và phổ UV-Vis của dung dịch AgCol với thời gian phản ứng khác nhau.
Từ các kết quả phân tích phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy tại điều kiện phản ứng nồng độ AgNO3 14 mM, nhiệt độ 50℃, thời gian 6 giờ, nồng độ anthocyanin 10 mg/l, dung dịch AgCol chỉ có một peak hấp thụ cực đại, peak hẹp và rõ nét tại bước sóng 470 nm, chứng tỏ nano bạc tổng hợp được có dạng hình cầu, kích thước nhỏ hơn 50 nm [68, 217]. Đây là một minh chứng về vai trò của các hợp chất có trong dịch chiết lá Huyết dụ như anthocyanin, saponin, flavonoid... trong phản ứng khử ion bạc thành nano bạc.
Từ kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ bạc nitrat và thời gian phản ứng, luận án đã xác định được điều kiện tổng hợp AgCol tối ưu là nhiệt độ 50℃, thời gian 6 giờ, nồng độ AgNO3 14 mM và dịch chiết lá Huyết dụ có nồng độ anthocyanin 10 mg/l. Điều kiện này được sử dụng để tổng hợp nano bạc cho các phân tích đánh giá tiếp theo.
3.1.2.2. Đặc tính của hạt nano bạc AgCol
Nano bạc được tổng hợp ở điều kiện thích hợp trên và khảo sát đặc tính của hạt nano bạc bằng kính hiển vi điện tử truyền qua mức độ phân giải cao HR-TEM. Hình 3.10a-c là kết quả đo HR-TEM của AgCol ở độ phóng đại ×100k, ×500k và biểu đồ phân bố kích thước hạt. Kết quả cho thấy các hạt nano bạc có dạng hình cầu với đường kính hạt trung bình khoảng 28,5 nm. Kết quả này phù hợp với nhận định trong phân tích UV-Vis và một số nghiên cứu đã công bố [68, 217]. Ngoài ra, quan sát ảnh với độ phóng đại lớn ×500k (Hình 3.10b) cho thấy rõ cấu trúc đa tinh thể của hạt AgCol tổng hợp được. Đây là dạng cấu trúc thường gặp khi tổng hợp AgNPs bằng phương pháp hóa học xanh sử dụng dịch chiết từ thực vật [46, 63].
Để xác định cấu trúc tinh thể của nano bạc tổng hợp được, tác giả thực hiện phân tích nhiễu xạ tia X (XRD). Hình 3.11a là giản đồ XRD của AgCol cho thấy các peak nhiễu xạ tia X ở góc 2: 38,18°;43,72°, 64,45° và 77,72° tương ứng với các mặt phẳng tinh thể (111), (200), (220) và (311) (theo JCPDS No. 04-0783). Kết quả phân tích này cho thấy AgCol có cấu trúc lập phương tâm mặt [29, 30, 71]. Điều này khẳng định nano bạc đã được tổng hợp thành công từ phản ứng giữa AgNO3 và dịch chiết
0h 2h 4h 6h 8h (a) 300 350 400 450 500 550 600 650 700 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Abso rb an ce (a .u) Wavelength (nm) 2 h 4 h 6 h 8 h Cư ờn g độ hấ p thụ (a.u) Bước sóng (nm) (b)
85
lá Huyết dụ. Ngoài ra, trên giản đồ XRD của của AgCol còn thấy xuất hiện các peak tại góc 2: 27,9°; 32,3°; 46°; 54,84°; 57,58° và 67,54° tương ứng với mặt phẳng (111), (200), (220), (311), (222), (400) của tinh thể nano AgCl (AgCl-NPs) [7, 69, 218]. Theo các nghiên cứu về tổng hợp nano bạc sử dụng dịch chiết thực vật làm chất khử đã công bố cho thấy sự hình thành đồng thời AgNPs và AgCl-NPs trong một số trường hợp [66, 218-220]. Hơn nữa, một số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các thực vật chứa anthocyanin thường có hàm lượng ion clo cao nên sử dụng để tổng hợp nano bạc sẽ thu được sản phẩm chứa AgNPs và AgCl-NPs [69, 102, 103]. Cả AgNPs và AgCl-NPs đều có hoạt tính tính kháng tốt và độc tính thấp với động vật có vú [148, 221]. Chính vì vậy mà vật liệu nano từ bạc được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, thực phẩm, mỹ phẩm, dệt may, xúc tác, xử lý môi trường [46, 67]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.10: Ảnh TEM của AgCol ở các độ phóng đại khác nhau.
(a) ×100k, (b) ×500k và (c) Biểu đồ sự phân bố kích thước của hạt nano bạc.
Để chứng minh các hợp chất có trong dịch chiết lá Huyết dụ tham gia vào phản ứng khử ion bạc để tạo nano bạc đồng thời đóng vai trò là chất ổn định nano bạc, luận án thực hiện phân tích phổ FTIR của các hợp chất có trong dịch chiết lá Huyết dụ và nano bạc tổng hợp được, kết quả được thể hiện trên Hình 3.11b.
Hình 3.11: Giản đồ XRD của AgCol (a) và phổ FTIR của Col, AgCol (b).
Kết quả phân tích FTIR với mẫu dịch chiết lá Huyết dụ (Col) cô đặc được trình bày trên Hình 3.11b cho thấy sự xuất hiện của các peak tại số sóng 3261,82 cm-1 đặc trưng cho các nhóm chức hydroxyl (-OH); tại 2925,62 cm-1 đặc trưng cho nhóm ankyl (C-H) trong mạch hydrocacbon; tại 1592,59 cm-1 đặc trưng cho liên kết cacbonyl (C=O) trong nhóm chức este hoặc xeton. Các peak tại số sóng 1394,86 cm-1 và 1038,97 cm-1 tương ứng với các liên kết C-O và C-O-C trong các hợp chất
10 20 30 40 50 0 3 6 9 12 15 Di stributio n (%) Particle size (nm) 20 nm (b) Ph ân bố (%) Kích thước hạt (nm) (c) 100 nm (a) 10 20 30 40 50 60 70 80 Intensity (a.u. ) 2 (degrees) (111) (200) (220) (311) (111) (200) 2-Theta (độ) Cư ờn g độ (a .u) (a) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 AgCol Wavenumber (cm-1) Int ensity (a. u) Col 3261,82 1592,59 1394,86 1038,97 600,39 2925,62 3438,70 2925,60 1629,07 1383,35 1057,01 Cư ờn g độ (a .u) Số sóng (cm-1) (b) AgCl-NPs
86
anthocyanin, flavonoid, saponin... [98]. Các nhóm chức này của các hợp chất hữu cơ chiết từ lá Huyết dụ có khả năng khử ion bạc trong phản ứng tổng hợp nano bạc. Đồng thời các hợp chất hữu cơ có trong dịch chiết cũng là chất ổn định, ngăn cản sự kết tụ các hạt nano bạc [63].
Sau phản ứng tổng hợp và tinh chế, sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ trên bề mặt của hạt AgCol được thể hiện bởi các peak hấp thụ đặc trưng trên phổ FTIR của AgCol tại các số sóng 3437,70; 2925,60; 1629,07; 1383,35 và 1057,01 cm-1. Tuy nhiên, sự dịch chuyển vị trí của các peak tại số sóng 1629,07; 1383,35 và 1057,01 cm-1 của AgCol so với Col có thể là do sự hình thành liên kết bạc-cacboxylat tương tác với mạch hydrocarbon thông qua lực kỵ nước [209]. Ngoài ra, sự tăng cường độ của peak tại số sóng 1629,07 cm-1 trên phổ của AgCol là đặc trưng cho liên kết C=C của vòng thơm hoặc liên kết C=O trong các axit amin. Cường độ của peak 1038,97 cm-1 giảm rõ rệt thể hiện nhóm C-O của hợp chất flavonoid tham gia phản ứng khử ion bạc thành nano bạc. Sự tồn tại của các liên kết này trên AgCol có thể chứng minh các hợp chất có trong dịch chiết lá Huyết dụ đã đóng vai trò là chất khử và chất ổn định trong quá trình tổng hợp nano bạc bằng phương pháp hóa học xanh. Kết quả này là phù hợp với các công trình nghiên cứu đã công bố [71, 222].
Phương pháp phân tích nhiệt trọng (TGA) được sử dụng để chứng minh sự tồn tại của các hợp chất hữu cơ trên bề mặt các hạt nano bạc và xác định hiệu suất phản ứng tổng hợp nano bạc. Kết quả phân tích nhiệt TGA/DTA của AgCol trong môi trường khí N2, với nhiệt độ 25 - 800°C và tốc độ nâng nhiệt 5°C/phút trên Hình 3.12 cho thấy sự giảm khối lượng trước 200°C (1,12%) là do sự hóa hơi của nước, trong khoảng 200 - 600°C (16,99%) là do sự phân huỷ của các hợp chất hữu cơ còn dư và trên 550°C có thể là do sự bốc bay của nano bạc. Theo các tài liệu đã công bố hạt nano bạc có nhiệt độ nóng chảy khoảng 200°C và bắt đầu bốc bay ở khoảng 600°C [76, 211]. Từ kết quả này cho thấy sự tồn tại của các chất hữu cơ trên bề mặt nano bạc sau quá trình tinh chế, chứng tỏ vai trò của chúng trong việc ổn định các hạt AgCol trong dung dịch phản ứng. Đường phân tích nhiệt vi sai (DTA) trên Hình 3.12 cho thấy có sự thay đổi khối lượng tại 600℃ tương ứng với giá trị TGA là 81,89%.
Hình 3.12: Kết quả phân tích nhiệt TGA/DTA của AgCol.
Từ kết quả phân tích nhiệt trọng TGA tính toán lượng nano bạc tinh khiết theo công thức (2.5) đã được trình bày ở chương 2.
𝐻 (%) = %𝐦𝐓𝐆× 𝐦𝐀𝐠𝐍𝐏𝐬 𝐦𝐀𝐠 × 100 100 200 300 400 500 600 700 800 50 60 70 80 90 100 DTA TG ( %) Temperature (0C) TG -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 DT A (uV/m g) Nhiệt độ (℃) -16,99% -1,12%
87 Trong đó: %mTG = 81,89%
mAgNPs = ms - mt = 5,4505 – 5,4490 = 0,0015g = 1,5 mg Lượng nano bạc tinh khiết:
mAgNPs tinh khiết = 1,5*81,89% = 1,228 mg (/11ml) Lượng bạc tổng hợp ban đầu là:
mAg = nAg × MAg = CM × V × MAg = 1,512 (mg)
3.1.2.3. Đề xuất cơ chế phản ứng tổng hợp nano bạc
Các công trình đã công bố trong dịch chiết lá Huyết dụ có các hợp chất anthocyanin, saponin, flavonoid, flavonol, chlorophyll, glucoside... [93, 94]. Những hợp chất này chứa các nhóm chức như O-H, C=O, C=C có khả năng khử ion bạc [58]. Từ đó, có thể đề xuất chế phản ứng của một số hoạt chất có trong dịch chiết lá Huyết dụ với ion bạc thể hiện trên Hình 3.13.
Hình 3.13: Cơ chế phản ứng tổng hợp AgNPs.
Bản chất cơ chế tổng hợp AgNPs là phản ứng oxi hóa khử của các ion bạc trong dung dịch AgNO3 (đóng vai trò chất oxi hóa) với các hợp chất trong dịch chiết lá Huyết dụ (đóng vai trò chất khử). Cơ chế của phản ứng này gồm quá trình nhường electron của các chất khử trong dịch chiết và quá trình nhận electron của các ion bạc để trở thành nguyên tử bạc. Các nguyên tử bạc sinh ra liên kết với nhau tạo nên các hạt nhân, tâm mầm kết tinh, để phát triển thành các hạt nano bạc. Do số lượng lớn các chất khử trong hỗn hợp phản ứng và sự liên kết linh động của chúng với các mầm tinh thể bạc dẫn đến sự phát triển đẳng hướng và hình thành các hạt AgNPs có dạng hình cầu ổn định. Như vậy, các hợp chất trong dịch chiết lá Huyết dụ vừa là chất khử,