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 Lê Thị Lành 1 , Nguyễn Thị Thanh Hải 2 , Trần Thái Hòa 2 1 Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Quảng Nam 2 Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Tóm tắt. Bài báo này đề cập đến một phương pháp đơn giản để tổng hợp keo vàng nano trên cơ sở sử dụng chitosan tan trong nước (WSC) kết hợp với chitosan oligosaccharide (COS) làm chất khử và chất ổn định. Sự hình thành của keo vàng nano được xác định bằng phổ UV-Vis. Độ deacetyl hóa (DDA) và khối lượng phân tử trung bình của chitosan, WSC và COS lần lượt được xác định bằng phương pháp phổ hồng ngoại (IR) và phương pháp sắc ký thẩm thấu gel (Gel permeation chromatography – GPC). Kết quả ghi ảnh TEM cho thấy keo vàng nano có kích thước hạt khá đồng đều nằm trong khoảng 5-15 nm. Ảnh hưởng của nhiệt độ khử đến quá trình tổng hợp và độ ổn định của keo vàng nano đã được nghiên 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 Au 3+ : 0,25mM là 85 0 C. 1. Đặt vấn đề Việc tổng hợp nano kim loại hiếm (Au, Ag, Pt, …) đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới bởi những ứng dụng rộng rãi của chúng trong nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học, khoa học vật liệu, khoa học y sinh, dược phẩm, …. Trong số các vật liệu nano, nano vàng được quan tâm hàng đầu do có nhiều ứng dụng có giá trị thực tiễn như làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ, làm sensor phân tích kim loại nặng, trong y học để phát hiện và hỗ trợ điều trị ung thư, trong công nghiệp chế tạo thiết bị và linh kiện điện tử, Hiện nay, đã có nhiều công trình công bố tổng hợp thành công keo vàng nano bằng nhiều phương pháp khác nhau. Tuy nhiên hầu hết các phương pháp này đều sử dụng các dung môi hữu cơ và các tác nhân khử độc hại như natri borohydride, Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường. Để khắc phục hạn chế này, việc sử dụng các hóa chất không độc hại trong cả ba yếu tố dung môi, chất khử và chất ổn định là mục tiêu mà nghiên cứu này muốn hướng tới. Chitosan là một trong những polymer được sử dụng rộng rãi cho mục đích này do nó có tính tương hợp sinh học, có khả năng tự phân hủy, thân thiện với môi trường. Mặt khác, sự có mặt của một lượng lớn nhóm amino (- NH 2 ) và nhóm hydroxyl (-OH) tự do trong mạch chitosan đã làm cho nó có những đặc tính hóa lý đặc biệt gồm polycation, chelating và tạo màng. Điểm nổi bật trong nghiên cứu này, chúng tôi 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… không sử dụng axit để hòa tan chitosan nên sản phẩm keo vàng nano tinh khiết, thuận lợi cho các mục đích ứng dụng sinh y học, dược phẩm, mỹ phẩm. 2. Thực nghiệm 2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất Chitosan (CTS) có DDA= 94,1%, khối lượng mol trung bình (KLPT) M w =182636 Da. Muối vàng (HAuCl 4 .3H 2 O) (Merck, Đức). Axit lactic, anhydrit axetic, NH 4 OH (Trung Quốc) và cồn 96 o (Việt Nam), nước deionic. 2.2. Phương pháp 2.2.1. Điều chế WSC WSC được điều chế theo phương pháp axetyl hóa của Lu et al [10] nhưng nồng độ chitosan là 5% và dùng axit lactic thay cho axit axetic. Hòa tan 25 gam chitosan trong 500 ml dung dịch axit lactic 3% thu được dung dịch A. Sau đó cho 150 ml cồn 96 o vào dung dịch A, khuấy đều được dung dịch B. Cho 15 ml anhydrit axetic vào 150 ml cồn 96 o , khuấy đều dung dịch C. Cho từ từ C vào B, khuấy đều để thực hiện phản ứng axetyl hóa trong 2 giờ. Dung dịch chitosan đã axetyl hóa được điều chỉnh pH về 7 -7,5 bằng NH 4 OH 5% và được kết tủa bằng cồn 96 o . Lọc kết tủa qua vải, rửa kết tủa bằng cồn 96 o vài lần, sau đó sấy quạt cho bay hết dung môi cồn 96 o , thu được chitosan tan (WSC). 2.2.2. Điều chế COS Chúng tôi điều chế COS theo qui trình của Feng Tian [6] nhưng sử dụng acid acetic thay cho acid hydrochloric và thay đổi một số nồng độ như sau: hòa tan 10 gam chitosan trong 500 ml dung dịch acid axetic 1% thu được dung dịch A. Cho 66,7 ml H 2 O 2 30% vào dung dịch A thu được dung dịch B (có nồng độ là H 2 O 2 4%). Tiến hành phản ứng trong 5 giờ ở 60 o C. 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. Dùng cồn để kết tủa dung dịch D, lọc lấy kết tủa, sấy khô ở 60 o C thu được chitosan oligosaccharide. 2.2.3. Xác định DDA của WSC và COS DDA của WSC và COS được xác định bằng phổ hồng ngoại trên máy IR Prestige-21 Fourier Transform Infrared Spectrophometer - hãng Shimadzu, Nhật Bản và tính theo công thức: DDA, % = 100 – [(A 1320 /A 1420 – 0,3822)/0,03133], trong đó A 1320 và A 1420 là mật độ quang tương ứng tại các đỉnh hấp thụ 1320 cm -1 và 1420 cm -1 [5]. 2.2.4. Xác định khối lượng phân tử của chitosan, WSC và COS Khối lượng phân tử của chitosan, WSC và COS được đo trên máy HP-GPC 1100, detector RI GI362A, hãng Agilent dùng cột Ultrahydrgel 250 và 500 và chất chuẩn là LÊ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HÒA 67 pullulan có KLPT 780-380.000. Dung môi sử dụng là hỗn hợp 0,25M CH 3 COOH/0,25M CH 3 COONa, tốc độ dòng là 1 ml/phút [1]. 2.2.5. Điều chế dung dịch keo vàng nano Hòa tan WSC trong nước (có khuấy từ) để tạo dung dịch WSC 0,5%. Hòa tan COS trong nước để thu được dung dịch COS 0,3%. Sau đó chuẩn bị dung dịch gồm: Au 3+ 0,25 mM /WSC 0,5% và COS 0,3% (có khuấy từ). Thực hiện phản ứng khử tạo dung dịch keo vàng nano ở các nhiệt độ: 55, 65, 75, 85, 95 o C [3] (sử dụng máy ổn nhiệt để ổn định nhiệt độ). 2.2.6. Xác định phổ hấp thụ đặc trưng của keo vàng nano Phổ hấp thụ của dung dịch keo vàng nano được đo trên máy UV-2410PC, Shimadzu, Nhật Bản. 2.2.7. Xác định kích thước hạt của vàng nano Ảnh TEM được chụp trên máy JEM1010, JEOL, Nhật Bản. 3. Kết quả và thảo luận Hình 1 là phổ IR của WSC và COS (a) 68 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước… (b) Hình 1. Phổ IR của (a): WSC và (b): COS Từ phổ IR, tính được DDA của WSC và COS lần lượt là 60,1% và 91,5%, LÊ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HÒA 69 (a) (b) Hình 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, tính được khối lượng mol trung bình của WSC và COS lần lượt là 249790 Da và 5150 Da. Phổ UV-Vis của keo vàng nano với các thời gian khử khác nhau được trình bày ở hình 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 B í c sãng (nm) C  ê n g ®é h Êp th ô 500 520 540 560 580 600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 (B í c sãng) (nm) 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 25h 26h C ê ng ®é hÊp th ô 500 520 540 560 580 600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 (B í c sãng) (nm) 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 25h 26h C ê ng ®é hÊp thô 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 B í c sãng (nm) C  ê n g ®é hÊp thô 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 B í c sãng (nm) C êng ®é hÊp thô (a): 55 o C (b):65 o C (c): 75 o C (d): 85 o C (e): 95 o C Hình 3. Phổ UV-Vis của dung dịch keo vàng nano ở các nhiệt độ khử khác nhau LÊ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HÒA 71 Bảng 1. Giá trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano với các nhiệt độ khử khác nhau Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử ( o C) 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 thì cực đại hấp thụ càng lớn, nghĩa là phản ứng xảy ra càng nhanh và hàm lượng vàng nano càng nhiều. Chúng tôi lưu mẫu theo thời gian để khảo sát độ bền của sản phẩm. Bảng 2. Giá trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano sau 25 ngày lưu trữ Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử ( o C) 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, đã có một số mẫu đã bị keo tụ ở nhiệt độ 55 o C và 65 o C. Điều 72 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước… này có thể giải thích, do thời gian khử ngắn ở nhiệt độ thấp nên Au 3+ bị khử chưa triệt để, hàm lượng các hạt nano vàng tạo ra ít. Theo thời gian lưu trữ Au 3+ vẫn tiếp tụ bị khử và một lượng nhỏ các hạt nano vàng tiếp tục lớn lên cho đến khi không còn ở trạng thái nano nữa và chitosan mất khả năng bảo vệ nên bị keo tụ. Các mẫu khử ở nhiệt độ 95 o C có cực đại hấp thụ giảm đáng kể so với các mẫu khử ở nhiệt độ 85 o C. Bảng 3. Giá trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano sau 50 ngày lưu trữ Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử ( o C) 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 thì các mẫu khử ở nhiệt độ 55 o C đã keo tụ lại hoàn toàn và đa số các mẫu các mẫu khử ở nhiệt độ 65 o C cũng đã keo tụ còn các mẫu khác thì cực đại hấp thụ giảm đáng kể. Các mẫu khử ở nhiệt độ 95 o C tuy khử nhanh hơn ở so với khử ở 85 o C nhưng cực đại hấp thụ lại giảm nhanh hơn. Điều này có thể là do khi khử ở nhiệt độ cao và trong thời gian dài, chitosan dễ bị cắt mạch thành mạch ngắn hơn do đó làm giảm khả năng bảo vệ. Bảng 4. Giá trị hấp thụ cực đại của keo vàng nano sau 80 ngày lưu trữ Thời gian khử (giờ) Nhiệt độ khử ( o C) 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 LÊ THỊ LÀNH, NGUYỄN THỊ THANH HẢI, TRẦN THÁI HÒA 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, chúng tôi thấy tất cả các mẫu khử ở 55, 65, 75, 95 o C đều đã keo tụ trừ các mẫu khử ở 85 o C. Bảng 5. Độ bền của keo vàng nano khử ở nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ khử ( o C) Thời gian ổn định (ngày) 55 25 65 45 75 70 85 90 95 75 Từ các kết quả trên cho thấy, nhiệt độ 85 o C là nhiệt độ khử tối ưu trong phản ứng điều chế keo vàng với các điều kiện trên. (a) (b) Hình 4. Ảnh TEM của các mẫu keo vàng nano (0,25 mM Au 3+ /WSC 0,5%, t=85 o C) với thời gian khử là 6 giờ (a) và 8 giờ (b) Từ ảnh TEM cho thấy các hạt nano vàng có kích thước khá đồng đều nằm trong khoảng 5 -15 nm. 74 Tổng hợp nano vàng sử dụng Chitosan tan trong nước… 4. Kết luận Đã điều chế được WSC có DDA =60,1%, M w =249790 Da. Đã điều chế được COS có DDA = 91,5%, M w = 5150 Da. Đã sử dụng WSC điều chế được kết hợp với COS để tổng hợp keo vàng nano có kích thước khá đồng đều. Đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ khử đến quá trình 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 pháp chiếu xạ, Tạp Chí Hóa 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. [...]... HẢI, TRẦN THÁI HÒA SYNTHESIS OF GOLD NANOPARTICLES USING WATER SOLUBLE CHITOSAN AS REDUCER AND STABILIZER AGENT Le Thi Lanh1, Nguyen Thi Thanh Hai2, Tran Thai Hoa2 1 Quang Nam College of Economy - Technology 2 College 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... 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 . tôi 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 không sử dụng axit để hòa tan chitosan. giản để tổng hợp keo vàng nano trên cơ sở sử dụng chitosan tan trong nước (WSC) kết hợp với chitosan oligosaccharide (COS) làm chất khử và chất ổn định.