Tổng hợp nano vàng sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử và chất ổn định - Lê Thị Lành

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Tập 74A, Số 5, (2012), 65-75 65 TỔNG HỢP NANO VÀNG SỬ DỤNG CHITOSAN TAN TRONG NƯỚC LÀM CHẤT KHỬ VÀ CHẤT ỔN ĐỊNH Lờ Thị Lành1, Nguyễn Thị Thanh Hải2, Trần Thỏi Hũa2 1Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Quảng Nam 2Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Túm tắt. Bài bỏo này đề cập đến một phương phỏp đơn giản để tổng hợp keo vàng nano trờn cơ sở sử dụng chitosan tan trong nước (WSC) kết hợp với chitosan oligosaccharide (COS) làm chất khử và chất ổn định. Sự hỡnh thành của keo vàng nano được xỏc định bằng phổ UV-Vis. Độ deacetyl húa (DDA) và khối lượng phõn tử trung bỡnh của chitosan, WSC và COS lần lượt được xỏc định bằng phương phỏp phổ hồng ngoại (IR) và phương phỏp sắc ký thẩm thấu gel (Gel permeation chromatography – GPC). Kết quả ghi ảnh TEM cho thấy keo vàng nano cú kớch thước hạt khỏ đồng đều nằm trong khoảng 5-15 nm. Ảnh hưởng của nhiệt độ khử đến quỏ trỡnh tổng hợp và độ ổn định của keo vàng nano đó được nghiờn cứu. Nhiệt độ khử tối ưu cho phản ứng điều chế keo vàng nano trong điều kiện nồng độ WSC: 0,5%, COS: 0,3% và Au3+: 0,25mM là 850C. 1. Đặt vấn đề Việc tổng hợp nano kim loại hiếm (Au, Ag, Pt, ) đang thu hỳt sự quan tõm của nhiều nhà khoa học trờn thế giới bởi những ứng dụng rộng rói của chỳng trong nhiều lĩnh vực như vật lý, húa học, khoa học vật liệu, khoa học y sinh, dược phẩm, . Trong số cỏc vật liệu nano, nano vàng được quan tõm hàng đầu do cú nhiều ứng dụng cú giỏ trị thực tiễn như làm xỳc tỏc cho cỏc phản ứng hữu cơ, làm sensor phõn tớch kim loại nặng, trong y học để phỏt hiện và hỗ trợ điều trị ung thư, trong cụng nghiệp chế tạo thiết bị và linh kiện điện tử, ... Hiện nay, đó cú nhiều cụng trỡnh cụng bố tổng hợp thành cụng keo vàng nano bằng nhiều phương phỏp khỏc nhau. Tuy nhiờn hầu hết cỏc phương phỏp này đều sử dụng cỏc dung mụi hữu cơ và cỏc tỏc nhõn khử độc hại như natri borohydride,... Điều này ảnh hưởng khụng nhỏ đến mụi trường. Để khắc phục hạn chế này, việc sử dụng cỏc húa chất khụng độc hại trong cả ba yếu tố dung mụi, chất khử và chất ổn định là mục tiờu mà nghiờn cứu này muốn hướng tới. Chitosan là một trong những polymer được sử dụng rộng rói cho mục đớch này do nú cú tớnh tương hợp sinh học, cú khả năng tự phõn hủy, thõn thiện với mụi trường. Mặt khỏc, sự cú mặt của một lượng lớn nhúm amino (- NH2) và nhúm hydroxyl (-OH) tự do trong mạch chitosan đó làm cho nú cú những đặc tớnh húa lý đặc biệt gồm polycation, chelating và tạo màng. Điểm nổi bật trong nghiờn cứu này, chỳng tụi sử dụng WSC và COS để tổng hợp keo vàng nano với ưu điểm 66 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước khụng sử dụng axit để hũa tan chitosan nờn sản phẩm keo vàng nano tinh khiết, thuận lợi cho cỏc mục đớch ứng dụng sinh y học, dược phẩm, mỹ phẩm. 2. Thực nghiệm 2.1. Nguyờn vật liệu, húa chất Chitosan (CTS) cú DDA= 94,1%, khối lượng mol trung bỡnh (KLPT) Mw=182636 Da. Muối vàng (HAuCl4.3H2O) (Merck, Đức). Axit lactic, anhydrit axetic, NH4OH (Trung Quốc) và cồn 96o (Việt Nam), nước deionic. 2.2. Phương phỏp 2.2.1. Điều chế WSC WSC được điều chế theo phương phỏp axetyl húa của Lu et al [10] nhưng nồng độ chitosan là 5% và dựng axit lactic thay cho axit axetic. Hũa tan 25 gam chitosan trong 500 ml dung dịch axit lactic 3% thu được dung dịch A. Sau đú cho 150 ml cồn 96o vào dung dịch A, khuấy đều được dung dịch B. Cho 15 ml anhydrit axetic vào 150 ml cồn 96o, khuấy đều dung dịch C. Cho từ từ C vào B, khuấy đều để thực hiện phản ứng axetyl húa trong 2 giờ. Dung dịch chitosan đó axetyl húa được điều chỉnh pH về 7 -7,5 bằng NH4OH 5% và được kết tủa bằng cồn 96o. Lọc kết tủa qua vải, rửa kết tủa bằng cồn 96o vài lần, sau đú sấy quạt cho bay hết dung mụi cồn 96o, thu được chitosan tan (WSC). 2.2.2. Điều chế COS Chỳng tụi điều chế COS theo qui trỡnh của Feng Tian [6] nhưng sử dụng acid acetic thay cho acid hydrochloric và thay đổi một số nồng độ như sau: hũa tan 10 gam chitosan trong 500 ml dung dịch acid axetic 1% thu được dung dịch A. Cho 66,7 ml H2O2 30% vào dung dịch A thu được dung dịch B (cú nồng độ là H2O2 4%). Tiến hành phản ứng trong 5 giờ ở 60oC. Điều chỉnh pH hỗn hợp về 7 - 8 bằng dung dịch NaOH 50% thu được dung dịch C, lọc bỏ kết tủa thu được dung dịch D. Dựng cồn để kết tủa dung dịch D, lọc lấy kết tủa, sấy khụ ở 60oC thu được chitosan oligosaccharide. 2.2.3. Xỏc định DDA của WSC và COS DDA của WSC và COS được xỏc định bằng phổ hồng ngoại trờn mỏy IR Prestige-21 Fourier Transform Infrared Spectrophometer - hóng Shimadzu, Nhật Bản và tớnh theo cụng thức: DDA, % = 100 – [(A1320/A1420 – 0,3822)/0,03133], trong đú A1320 và A1420 là mật độ quang tương ứng tại cỏc đỉnh hấp thụ 1320 cm-1 và 1420 cm-1 [5]. 2.2.4. Xỏc định khối lượng phõn tử của chitosan, WSC và COS Khối lượng phõn tử của chitosan, WSC và COS được đo trờn mỏy HP-GPC 1100, detector RI GI362A, hóng Agilent dựng cột Ultrahydrgel 250 và 500 và chất chuẩn là Lấ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HềA 67 pullulan cú KLPT 780-380.000. Dung mụi sử dụng là hỗn hợp 0,25M CH3COOH/0,25M CH3COONa, tốc độ dũng là 1 ml/phỳt [1]. 2.2.5. Điều chế dung dịch keo vàng nano Hũa tan WSC trong nước (cú khuấy từ) để tạo dung dịch WSC 0,5%. Hũa tan COS trong nước để thu được dung dịch COS 0,3%. Sau đú chuẩn bị dung dịch gồm: Au3+ 0,25 mM /WSC 0,5% và COS 0,3% (cú khuấy từ). Thực hiện phản ứng khử tạo dung dịch keo vàng nano ở cỏc nhiệt độ: 55, 65, 75, 85, 95oC [3] (sử dụng mỏy ổn nhiệt để ổn định nhiệt độ). 2.2.6. Xỏc định phổ hấp thụ đặc trưng của keo vàng nano Phổ hấp thụ của dung dịch keo vàng nano được đo trờn mỏy UV-2410PC, Shimadzu, Nhật Bản. 2.2.7. Xỏc định kớch thước hạt của vàng nano Ảnh TEM được chụp trờn mỏy JEM1010, JEOL, Nhật Bản. 3. Kết quả và thảo luận Hỡnh 1 là phổ IR của WSC và COS (a) 68 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước (b) Hỡnh 1. Phổ IR của (a): WSC và (b): COS Từ phổ IR, tớnh được DDA của WSC và COS lần lượt là 60,1% và 91,5%, Lấ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HềA 69 (a) (b) Hỡnh 2. Sắc ký đồ GPC của (a): WSC và (b): COS 70 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước Từ sắc ký đồ GPC, tớnh được khối lượng mol trung bỡnh của WSC và COS lần lượt là 249790 Da và 5150 Da. Phổ UV-Vis của keo vàng nano với cỏc thời gian khử khỏc nhau được trỡnh bày ở hỡnh 3. 500 520 540 560 580 600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 25h 26h Bư ớ c sóng (nm) C ườ ng đ ộ hấ p th ụ 500 520 540 560 580 600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 (Bư ớ c sóng) (nm) 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 25h 26h C ườ ng đ ộ hấ p th ụ 500 520 540 560 580 600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 (Bư ớ c sóng) (nm) 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 25h 26h C ườ ng đ ộ hấ p th ụ 500 520 540 560 580 600 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1h 21h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 25h 26h Bư ớ c sóng (nm) C ườ ng đ ộ hấ p th ụ 500 520 540 560 580 600 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 25h 26h Bư ớ c sóng (nm) C ườ ng đ ộ hấ p th ụ (a): 55oC (b):65oC (c): 75oC (d): 85oC (e): 95oC Hỡnh 3. Phổ UV-Vis của dung dịch keo vàng nano ở cỏc nhiệt độ khử khỏc nhau Lấ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HềA 71 Bảng 1. Giỏ trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano với cỏc nhiệt độ khử khỏc nhau Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử (oC) 55 65 75 85 95 0,5 1,16 1 0,38 0,47 0,66 0,88 1,18 2 0,42 0,54 0,70 0,94 1,22 3 0,48 0,60 0,76 0,95 1,25 4 0,54 0,68 0,83 0,97 1,28 5 0,60 0,75 0,90 1,05 1,29 6 0,68 0,84 0,92 1,07 1,33 7 0,75 0,90 0,99 1,08 1,38 8 0,81 0,96 1,02 1,09 1,43 25 1,02 1,15 1,29 1,49 1,84 26 1,04 1,18 1,32 1,53 1,86 Từ bảng 1 cho thấy, nhiệt độ khử càng cao thỡ cực đại hấp thụ càng lớn, nghĩa là phản ứng xảy ra càng nhanh và hàm lượng vàng nano càng nhiều. Chỳng tụi lưu mẫu theo thời gian để khảo sỏt độ bền của sản phẩm. Bảng 2. Giỏ trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano sau 25 ngày lưu trữ Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử (oC) 55 65 75 85 95 0,5 1,21 1 keo tụ keo tụ 0,68 1,01 1,25 2 keo tụ keo tụ 0,73 1,05 1,27 3 keo tụ keo tụ 0,79 1,07 1,28 4 keo tụ 0,71 0,85 1,10 1,29 5 keo tụ 0,73 0,89 1,00 1,27 6 keo tụ 0,80 0,90 1,01 1,25 7 0,75 0,88 0,96 1,03 1,20 8 0,81 0,92 0,99 1,04 1,26 25 1,02 1,09 1,22 1,39 1,35 26 1,04 1,12 1,28 1,45 1,36 Bảng 2 cho thấy, đó cú một số mẫu đó bị keo tụ ở nhiệt độ 55oC và 65oC. Điều 72 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước này cú thể giải thớch, do thời gian khử ngắn ở nhiệt độ thấp nờn Au3+ bị khử chưa triệt để, hàm lượng cỏc hạt nano vàng tạo ra ớt. Theo thời gian lưu trữ Au3+ vẫn tiếp tụ bị khử và một lượng nhỏ cỏc hạt nano vàng tiếp tục lớn lờn cho đến khi khụng cũn ở trạng thỏi nano nữa và chitosan mất khả năng bảo vệ nờn bị keo tụ. Cỏc mẫu khử ở nhiệt độ 95oC cú cực đại hấp thụ giảm đỏng kể so với cỏc mẫu khử ở nhiệt độ 85oC. Bảng 3. Giỏ trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano sau 50 ngày lưu trữ Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử (oC) 55 65 75 85 95 0,5 1,12 1 keo tụ keo tụ 0,60 0,86 1,15 2 keo tụ keo tụ 0,65 0,87 1,21 3 keo tụ keo tụ 0,72 0,88 1,23 4 keo tụ keo tụ 0,79 0,90 1,24 5 keo tụ keo tụ 0,81 0.93 1,15 6 keo tụ keo tụ 0,85 0,94 1,12 7 keo tụ keo tụ 0,87 0,95 1,09 8 keo tụ 0,82 0,85 0,96 1,13 25 keo tụ 0,96 1,16 1,21 1,21 26 keo tụ 0,98 1,23 1,34 1,24 Bảng 3 cho thấy, sau 50 ngày lưu trữ thỡ cỏc mẫu khử ở nhiệt độ 55oC đó keo tụ lại hoàn toàn và đa số cỏc mẫu cỏc mẫu khử ở nhiệt độ 65oC cũng đó keo tụ cũn cỏc mẫu khỏc thỡ cực đại hấp thụ giảm đỏng kể. Cỏc mẫu khử ở nhiệt độ 95oC tuy khử nhanh hơn ở so với khử ở 85oC nhưng cực đại hấp thụ lại giảm nhanh hơn. Điều này cú thể là do khi khử ở nhiệt độ cao và trong thời gian dài, chitosan dễ bị cắt mạch thành mạch ngắn hơn do đú làm giảm khả năng bảo vệ. Bảng 4. Giỏ trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano sau 80 ngày lưu trữ Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử (oC) 55 65 75 85 95 0,5 keo tụ 1 keo tụ keo tụ keo tụ 0,62 keo tụ 2 keo tụ keo tụ keo tụ 0,65 keo tụ 3 keo tụ keo tụ keo tụ 0,66 keo tụ Lấ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HềA 73 4 keo tụ keo tụ keo tụ 0,61 keo tụ 5 keo tụ keo tụ keo tụ 0,63 keo tụ 6 keo tụ keo tụ keo tụ 0,69 keo tụ 7 keo tụ keo tụ keo tụ 0,80 keo tụ 8 keo tụ keo tụ keo tụ 0,88 keo tụ 25 keo tụ keo tụ keo tụ 1,15 keo tụ 26 keo tụ keo tụ keo tụ 1,20 keo tụ Từ bảng 4, chỳng tụi thấy tất cả cỏc mẫu khử ở 55, 65, 75, 95oC đều đó keo tụ trừ cỏc mẫu khử ở 85oC. Bảng 5. Độ bền của keo vàng nano khử ở nhiệt độ khỏc nhau Nhiệt độ khử (oC) Thời gian ổn định (ngày) 55 25 65 45 75 70 85 90 95 75 Từ cỏc kết quả trờn cho thấy, nhiệt độ 85oC là nhiệt độ khử tối ưu trong phản ứng điều chế keo vàng với cỏc điều kiện trờn. (a) (b) Hỡnh 4. Ảnh TEM của cỏc mẫu keo vàng nano (0,25 mM Au3+/WSC 0,5%, t=85oC) với thời gian khử là 6 giờ (a) và 8 giờ (b) Từ ảnh TEM cho thấy cỏc hạt nano vàng cú kớch thước khỏ đồng đều nằm trong khoảng 5 -15 nm. 74 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước 4. Kết luận Đó điều chế được WSC cú DDA =60,1%, Mw =249790 Da. Đó điều chế được COS cú DDA = 91,5%, Mw = 5150 Da. Đó sử dụng WSC điều chế được kết hợp với COS để tổng hợp keo vàng nano cú kớch thước khỏ đồng đều. Đó khảo sỏt ảnh hưởng của nhiệt độ khử đến quỏ trỡnh tổng hợp và độ bền của keo vàng nano. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự, Chế tạo vàng nano bằng phương phỏp chiếu xạ, Tạp Chớ Húa Học, 47, (2009), 174 – 179. [2]. A. Becue et al., Use of gold nanoparticles as molecular intermediates for the detection of fingermarks, Forensic Science International, 168, (2007), 169 – 176. [3]. H. Huang et al., Synthesis of polysaccharide-stabilized gold and silver nanoparticles: a green method, Carbohydrate Research, 339, (2004), 2627 – 2631. [4]. J.E. Park et al., Synthesis of multiple shapes of gold nanoparticles with controlled sizes in aqueous solution using ultrasound, Ultrasonics Sonochemistry, 13, (2006), 237 – 241. [5]. J. Brugnerotto et al., An infrared investigation in relation with chitin and chitosan characterization, Polymer 42, (2001), 3569-3580. [6]. J.J. Feng et al., Direct electrochemistry and electrocatalysis of heme proteins immobilized on gold nanoparticles stabilized by chitosan, Analytical Biochemistry, 342 (2), (2005), 280 – 28. [7]. P. Raveendran et al., A simple and green method for the synthesis of Au, Ag, and Au–Ag alloy nanoparticles, Green Chemistry, 8, (2006), 34 – 38. [8]. R.Kasaai et al., Various Methods for Determination of the Degree of N-Acetylation of Chitin and Chitosan: A Review, Agric. Food Chem. 57, (2009), 1667-1676. [9]. S. E. Skrabalak et al., Gold Nanocages for Biomedical Applications Advanced Materials, 19, (2007), 3177-3184. [10]. S. Lu et al., Preparation of water-soluble chitosan, Journal of Applied Polymer Science, 91, (2004), 3497 – 3503. Lấ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HềA 75 SYNTHESIS OF GOLD NANOPARTICLES USING WATER SOLUBLE CHITOSAN AS REDUCER AND STABILIZER AGENT Le Thi Lanh1, Nguyen Thi Thanh Hai2, Tran Thai Hoa2 1Quang Nam College of Economy - Technology 2College of Sciences, Hue University Abstract. This article studies a simple method for preparation of gold nanoparticles using water-soluble chitosan (WSC) and chitosan oligosaccharide (COS) as reducer and stabilizer. UV-vis absorption spectra suggested the formation of gold nanoparticles. The degree of deacetylation (DDA) and molecular weight of chitosan, WSC and COS are determined by IR spectra and GPC methods. TEM images showed that nanoparticles’ sizes were between 10 and 50 nm. The effect of reducing temperature on synthesis and stabilization of gold nanoparticles was also investigated. The optimal reducing temperature for synthesis of gold nanoparticles was 850C (concentrations of WSC 0,5%; COS 0,3% and Au3+ 0,25%).