2.4.1. Hóa chất
Các hóa chất cần dùng là loại tinh khiết phân tích (P.A.). Các dung dịch được pha chế bằng nước cất hai lần.
Bảng 2.4. Các loại hóa chất đƣợc sử dụng trong khóa luận
Tên hóa chất Nguồn gốc Độ tinh khiết
Vàng (III) clorua trihidrat (HAuCl4.3H2O) Merck, Đức PA
Acetamiprid Merck, Đức PA
Natri citrat Merck, Đức PA
Natri clorua Merck, Đức PA
Natri hiđroxit Merck, Đức PA
Axit clohidric Merck, Đức PA
2.4.2. Dụng cụ, thiết bị
Bình định mức thủy tinh có dung tích 10, 25, 50, 100, 250 ml.
Cốc thủy tinh chịu nhiệt dung tích 100, 250 ml.
Các loại pipet chia vạch: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10 ml.
Các loại micropipet 20-200 µl; 100-1000 µl
Ống falcon chia vạch 15, 50 ml.
Máy quang phổ UV-VIS 1601 PC – Shimadzu (Nhật Bản), bước sóng làm việc từ 400-800 nm, cuvet nhựa chiều dày l = 1cm.
Cân phân tích Scientech SA 210 dộ chính xác 0,0001g.
Chương III – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu khảo sát các điều kiện tối ƣu để điều chế dung dịch nano Au
Mục tiêu của phần này là nghiên cứu tìm được các điều kiện tối ưu để điều chế dung dịch nano Au bằng chất khử natri citrate. Dung dịch thu được cần có màu đỏ tươi, tương ứng với kích thước các hạt Au từ 10-30 nm, bền và ổn định trong khoảng thời gian ít nhất là 1 tháng.
3.1.1. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch natri citrate
Vai trò của citrate khi điều chế dung dịch nano Au bao gồm: (a) Chất khử: khử HAuCl4 về Au kim loại thông qua phản ứng:
2HAuCl + 3C6H8O7 (citric acid) › 2Au + 3C5H6O5 (3-ketoglutaric acid) + 8HCl + 3CO2
(b) Chất ổn định: các ion citrate mang điện tích âm bao bọc xung quanh hạt Au, ngăn cản sự co cụm của hạt Au.
Do vậy, ảnh hưởng của nồng độ dung dịch natri citrate đóng vai trị rất quan trọng trong việc hình thành hệ nano Au. Nồng độ dung dịch natri citrate được khảo sát với 4 giá trị nồng độ 11,56mM (0,19 %); 38,8mM (0,67 %); 57,8mM (0,99 %) và 115,6mM (1,99%). Sau khi thêm natri citrate và đun dung dịch thêm khoảng 10 phút, thấy dung dịch ở cốc 2 (nồng độ 38,8 mM) chuyển sang màu đỏ tươi, ở cốc 1 màu đỏ hơi nhạt còn cốc 3 và 4 đều chuyển sang màu đỏ đậm (hình 3.1a).
Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch natri citrate. Màu sắc dung dịch (a), Phổ của các dung dịch AuNPs. Đường 1 – 4 với các nồng độ natri citrate lần
lượt là 11,56 mM; 38,8 mM; 57,8 mM; 115,6 mM (b)
a
a
b
Kết quả đo phổ cho thấy ở nồng độ natri citrate 11,56 mM (đường 1) và 38,8 mM (đường 2) đều có đỉnh ở 520 nm. Tuy nhiên độ hấp thụ quang Abs của đường 1 thấp hơn đường 2. Còn ở nồng độ natri citrate 57,8 mM (đường 3) độ hấp thụ quang cao nhưng bước sóng đo ở khoảng 530 nm. Nồng độ natri citrate 115,6 mM (đường 4) có độ hấp thụ quang thấp (hình 3.1b). Do đó trong các thí nghiệm tiếp theo lựa chọn nồng độ của dung dịch citrate là 38,8 mM cho các khảo sát.
3.1.2. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch HAuCl4
Tiếp theo khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4. Nếu nồng độ của dung dịch q cao có thể tạo thành các hạt Au kích thước lớn do khoảng cách giữa các hạt Au trong dung dịch khi đó quá gần nhau. Sau khi thêm citrate vào 4 bình chứa dung dịch HAuCl4 có nồng độ từ 0,5 mM đến 10 mM và đun sôi 10 phút chúng tôi quan sát thấy:
- Bình 1 (nồng độ HAuCl4 0,5 M): dung dịch chuyển sang màu đỏ tươi - Bình 2 (nồng độ HAuCl4 1mM): dung dịch chuyển sang màu đỏ đậm
- Bình 3 (nồng độ HAuCl4 5 mM): dung dịch chuyển sang màu vàng rất nhạt - Bình 4 (nồng độ HAuCl4 10 mM): dung dịch có màu vàng đậm
Như vậy khi tăng dần nồng độ Au(III), dung dịch có màu sắc thay đổi rõ rệt, chuyển từ đỏ tươi đến đỏ đậm, vàng nhạt và vàng đậm, tương ứng với sự tăng dần kích thước của hạt Au. Điều này có thể giải thích do ở nồng độ Au(III) cao, lượng citrate không đủ để khử lượng vàng từ Au+3 xuống Au0và bảo vệ các hạt Au khỏi sự co cụm. Ở nồng độ 10 mM, số lượng các hạt Au tạo thành quá lớn đến mức chúng co cụm lại và tạo thành các hạt lớn nhìn được bằng mắt thường (hình 3.2a).
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HAuCl4. Màu sắc dung dịch (a), Phổ của dung dịch AuNPs. Đường 1-4 nồng độ HAuCl4 lần lượt là 0,5 mM, 1
mM, 5 mM, 10 mM (b).
Kết quả đo phổ cịn được thể hiện trong hình 3.2.b, ở nồng độ HAuCl4 0,5 mM (đường 1) và 1 mM (đường 2) phổ hấp thụ UV-Vis đều có cực đại hấp thụ ở 520 nm. Độ hấp thụ quang của dung dịch 1mM cao hơn so với dung dịch 0,5 mM do nồng độ các hạt AuNPS tạo thành là lớn hơn ở nồng độ cao. Với các nồng độ HAuCl4 5 mM (đường 3) và 10 mM (đường 4), phổ hấp thụ UV-Vis gần như khơng có cực đại hấp thụ. Căn cứ vào màu sắc và phổ hấp thụ của các dung dịch AuNPs thu được, trong các thí nghiệm tiếp theo chúng tôi chọn nồng độ của dung dịch HAuCl4 là 0,5 mM.
3.1.3. Qui trình điều chế dung dịch nano Au
Từ các kết quả thí nghiệm ở mục 3.1.1 và 3.1.2 thu được qui trình điều chế dung dịch nano Au như sau:
- Lấy 50 ml dung dịch HAuCl4.3H2O 0,50 mM chuyển vào cốc chịu nhiệt 100ml và đun dung dịch ở khoảng 100°C.
- Khi dung dịch sôi, thêm 5,00ml natri citrate 38,8mM (0,67%) vào, khuấy mạnh bằng con khuấy từ.
a
- Đun dung dịch thêm khoảng 10 phút đến khi dung dịch chuyển sang màu đỏ tươi, cho thấy sự hình thành các hạt nano Au.
- Làm nguội dung dịch đến nhiệt độ phòng và bảo quản ở 4°C trong tủ lạnh để sử dụng. Dung dịch bền trong khoảng từ 3-4 tuần.
3.2. Nghiên cứu các đặc trƣng của dung dịch nano Au
Sau khi đã điều chế được dung dịch nano Au, chúng tôi tiến hành khảo sát một số đặc trưng của dung dịch như đặc tính hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), hình thái bề mặt, thế Zeta, v.v. Các đặc trưng đều được khảo sát khi có mặt và khơng có mặt chất phân tích là acetamiprid.
3.2.1. Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano Au
Để khảo sát đặc tính hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của dung dịch Au, tiến hành ghi phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch trong khoảng bước sóng từ 400-800 nm. Các phổ hấp thụ của dung dịch khi có mặt acetamiprid (đường cong 2) và khơng có mặt acetamiprid (đường cong 1) được cho trong hình 3.3:
Hình 3.3. Phổ hấp thụ của dung dịch nano vàng khi có mặt acetamiprid; Đường 1: Phổ hấp thụ quang của dung dịch nano vàng; Đường 2: Phổ hấp thụ của
dung dịch nano vàng khi có mặt acetamiprid (10-5M)
1). Đây là đỉnh hấp thụ đặc trưng cho các hạt nano Au được phân tán tốt trong dung dịch (có thể xem như đơn hạt). Sau khi thêm một lượng acetamiprid (10-5M), (đường cong 2 trong hình 3.3) cường độ hấp thụ ở bước sóng 520 nm giảm và xuất hiện một dải hấp thụ mới ở 690 nm. Màu của dung dịch nano Au đồng thời chuyển từ màu đỏ sang màu xanh, dễ dàng quan sát thấy bằng mắt thường (Hình 3.3b). Sự thay đổi màu sắc của dung dịch cũng như sự dịch chuyển cực đại hấp thụ được gây nên do sự thay đổi kích thước hạt nano Au khi có mặt acetamiprid. Khi khơng có mặt acetamiprid, các hạt nano Au được phân tán tốt trong dung dịch do sự hấp phụ của các ion citrat tích điện âm trên bề mặt, tạo lực đẩy cùng dấu ngăn cản sự co cụm của các hạt Au. Khi có mặt acetamiprid, acetamiprid hấp phụ dễ dàng trên bề mặt các hạt nano vàng nhờ nhóm cyano trong phân tử có ái lực rất tốt với vàng [32]. Khi hấp phụ acetamiprid, các ion citrate bị đẩy ra ngồi làm giảm điện tích âm trên bề mặt hạt Au, làm giảm lực đẩy tĩnh điện và gây ra sự co cụm của các hạt nano Au.
Như đã nhận thấy, khi thêm acetamiprid vào dung dịch nano Au, màu sắc của dung dịch chuyển từ đỏ sang xanh, đồng thời độ hấp thụ quang của dung dịch tại cực đại hấp thụ 520 nm giảm và tại cực đại hấp thụ 690 nm tăng. Vì vậy qua sự thay đổi màu sắc dung dịch có thể phát hiện bằng mắt thường sự có mặt của acetamiprid và sử dụng tỉ lệ độ hấp thụ ở λ1=520nm và λ2=690nm làm tín hiệu phân tích để định lượng acetamiprid.
3.2.2. Nghiên cứu hình thái hạt nano Au bằng TEM
Hình thái hạt nano vàng được nghiên cứu thơng qua ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các hạt nano vàng tổng hợp được có hình cầu và phân bố đều với đường kính hạt trung bình từ 16,2 – 19,9 nm (Hình 3.4a).
Hình 3.4. Hình thái hạt nano vàng khi chưa có acetamiprid (hình a) và khi có acetamiprid (hình b)
Hình 3.4 cho thấy hình ảnh TEM của dung dịch nano vàng (AuNPs) trước và sau khi kết hợp với acetamiprid. Ảnh TEM cho thấy rằng các hạt nano vàng tách rời nhau khi khơng có acetamiprid (hình 3.4a). Điều này được giải thích do các ion citrate tích điện âm bao quanh hạt nano vàng như một chất hoạt động bề mặt ngăn cản sự co cụm của các hạt vàng. Hình ảnh TEM của hạt nano vàng khi kết hợp với acetamiprid (hình 3.4b) cho thấy các hạt co cụm lại với nhau thành từng đám do khi cho thêm acetamiprid vào sẽ làm giảm điện tích âm của các hạt Au được bao bọc bởi citrat và làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt Au. Sự tăng kích thước hạt này rất phù hợp với sự chuyển dịch cực đại hấp thụ và thay đổi màu sắc quan sát thấy từ phổ hấp thụ UV-Vis ở mục 3.2.1 và đồng thời cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của một số tác giả khác [52].
3.2.3. Nghiên cứu thế bề mặt của dung dịch nano Au bằng đo thế Zeta
Tính chất bề mặt của hạt nano Au được xác định bằng cách đo thế Zeta của dung dịch. Trên Hình 3.5 là kết quả đo thế Zeta của dung dịch nano Au khi khơng có mặt acetamiprid (hình 3.5 a) và có mặt acetamiprid (Hình 3.5b).
Hình 3.5. Phân bố kích thước thế Zeta của hạt nano vàng; Hình a: Thế Zeta của dung dịch nano Au; Hình b: Thế Zeta của dung dịch nano vàng khi có
mặt acetamiprid (10-4M)
Kết quả đo cho thấy thế bề mặt của dung dịch citrate-AuNPs là -31,7 mV (Hình 3.5a), chứng minh được sự bao phủ của các ion citrate mang điện tích âm trên bề mặt hạt Au đồng thời cho thấy dung dịch nano Au ở nồng độ này có tính ổn định trung bình. Khi có mặt acetamiprid nồng độ 10-4M giá trị thế Zeta tăng lên là -24,8 m V (hình 3.5b). Sự thay đổi giá trị thế zeta cho thấy khi thêm acetamiprid vào dung dịch đã có sự hấp phụ của acetamiprid lên bề mặt hạt nano vàng làm giảm điện tích âm của bề mặt. Đây cũng chính là nguyên nhân làm cho các hạt Au co
cụm lại với nhau, gây nên sự thay đổi về màu sắc của dung dịch từ màu đỏ sang màu xanh.
3.3. Nghiên cứu các điều kiện xác định acetamiprid bằng dung dịch nano Au
Từ các kết quả nghiên cứu trên có thể thấy, acetamiprid có thể được định lượng bằng phương pháp UV-Vis sử dụng nano Au thông qua sự thay đổi độ hấp thụ quang ở các bước sóng 520 nm và 690 nm. Để đạt được độ nhạy tốt nhất cho phương pháp phân tích, chúng tơi tiến hành nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của một số thông số như pH, thời gian phản ứng, nồng độ dung dịch nano Au và nồng độ muối NaCl. Điều kiện tối ưu được lựa chọn dựa trên tỉ lệ độ hấp thụ quang ở 2 bước sóng 690 nm và 520 nm (A690/A520). Tỉ lệ này phản ánh mức độ co cụm của hạt nano Au khi có mặt acetamiprid.
3.3.1. Ảnh hƣởng của nồng độ muối NaCl
Cường độ ion có vai trị quan trọng đối với việc ổn định các hạt nano Au. Các chất điện li mạnh được coi như tác nhân khởi đầu sự co cụm của hạt nano Au, do chúng có khả năng làm co lại lớp điện kép được tạo thành bởi các ion citrate mang điện tích âm hấp phụ trên bề mặt hạt nano Au. Trong một số trường hợp khi khơng có các chất điện ly mạnh (cường độ ion thấp), các hạt nano Au không co cụm lại được với nhau, ngay cả ở nồng độ cao của chất phân tích. Ngồi ra, nếu tăng cường độ ion trên một giới hạn nhất định, sự kết tụ của các hạt nano thậm chí xảy ra ngay cả khi khơng có chất phân tích. Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ chất điện li mạnh (ở đây là muối NaCl), được cho trong Bảng 3.1 và biểu diễn trên hình 3.6.
Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của nồng độ muối NaCl đến tỉ lệ độ hấp thụ quang CNaCl(M) A520 A690 A690/A520 0,006 0,496 0,047 0,095 0,008 0,455 0,079 0,174 0,012 0,432 0,569 1,317 0,016 0,383 0,481 1,256 0,020 0,360 0,456 1,267 0,026 0,366 0,441 1,205
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ muối NaCl
Khi tăng nồng độ muối NaCl từ 0,006 M đến 0,030 M, tỉ lệ A690/A520 tăng, cho thấy khả năng co cụm của hạt nano Au tăng khi tăng cường độ lực ion của dung dịch. Tại nồng độ NaCl là 0,012 M, tỉ lệ A690/A520 đạt bão hịa và có xu hướng hơi giảm, do đó nồng độ NaCl 0,012M được chọn là điều kiên tối ưu cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.3.2. Ảnh hƣởng của pH
pH của dung dịch có ảnh hưởng tương đối lớn đến tỉ lệ độ hấp thụ quang A690/A520 hay nói cách khác là khả năng co cụm của các hạt nano Au. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của pH từ 3,0 đến 9,0 lên A690/A520 được cho trong Bảng 3.2 và biểu diễn trong Hình 3.7.
Bảng 3.2. Ảnh hƣởng của pH đến tỉ lệ độ hấp thụ quang pH A520 A690 A690/A520 3,0 0,338 0,409 1,210 4,0 0,400 0,530 1,325 5,0 0,437 0,595 1,362 6,0 0,474 0,639 1,348 7,0 0,536 0,285 0,532 8,0 0,538 0,103 0,191 9,0 0,560 0,094 0,168 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 A 690/A5 20 C NaCl (M)
Hình 3.7. Ảnh hưởng của pH
Như có thể thấy trên hình 3.7, tỉ lệ độ hấp thụ quang A690/A520 tăng trong khoảng pH từ 4,0 đến 6,0, sau đó giảm mạnh trong khoảng pH từ 7,0 đến 9,0. Xu hướng này có thể được giải thích do sự thay đổi điện tích âm trên bề mặt hạt nano Au theo pH của dung dịch. Ở các giá trị pH thấp, acetamiprid mang điện dương do đó có thể dễ dàng bị hấp phụ trên bề mặt hạt citrate-nano Au tích điện âm. Q trình này sẽ làm giảm điện tích âm trên bề mặt hạt Au khiến chúng co cụm lại với nhau và làm tăng tỉ lệ A690/A520. Ở các giá trị pH lớn hơn 7,0, khơng có sự khác biệt đáng kể về sự hấp phụ của các hạt nano vàng khi thêm acetamiprid do ở pH cao các nhóm cyano của acetamiprid phân li làm acetamiprid mang điện tích âm và khó hấp phụ trên bề mặt hạt citrate-nano Au cũng mang điện tích âm [47].
Ở giá trị pH = 5,0, tỉ lệ độ hấp thụ quang A690/A520 là lớn nhất (hình 3.7). Do vậy, trong các thí nghiệm tiếp theo chúng tôi chọn pH = 5,0 trong suốt quá trình nghiên cứu.
3.3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch nano Au
Để tiếp tục tối ưu hóa độ nhạy và tính chọn lọc của phương pháp, chúng tơi đã nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ của các hạt AuNPs trong khoảng từ 3.10-4M đến 10-5M, tại nồng độ NaCl là 0,01M và nồng độ acetamiprid thêm vào là 10-3 M.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A 690/A5 20 pH Ảnh hƣởng của pH
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch AuNPs đến tỉ lệ độ hấp thụ quang C AuNPs (10-3M) A520 A690 A690/A520 0,01 0,030 0,020 0,667 0,05 0,116 0,134 1,155 0,10 0,215 0,284 1,321 0,15 0,323 0,444 1,375 0,20 0,429 0,592 1,380 0,25 0,528 0,724 1,371 0,30 0,626 0,840 1,342
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch AuNPs
Hình 3.8 cho thấy tỉ lệ độ hấp thụ quang A690/A520 của dung dịch nano Au khi