TỔNG hợp và ỨNG DỤNG NANO bạc TRÊN CHẤT MANG ALPHA CYCLODEXTRIN ALGINATE sử DỤNG DỊCH CHIẾT củ NGƯU BÀNG

Nguyên tắc chung của hầuhết các phương pháp này là khử ion kim loại có trong muối thành các nguyên tửkim loại, sau đó các nguyên tử này kết hợp với nhau tạo thành các hạt bạc có kíchthướ

BẠC TRÊN CHẤT MANG ALPHA CYCLODEXTRIN / ALGINATE SỬ DỤNG DỊCH CHIẾT CỦ

NGƯU BÀNG

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật,công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và được sự quan tâm nhiềuhơn của các nhà khoa học Công nghệ nano ra đời đã tạo nên bước phát triển nhảyvọt cho ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế, thực phẩm,…Nhiều công trìnhnghiên cứu khoa học từ vật liệu nano đã được ứng dụng hiệu quả trong cuộc sống,nhất là chăm sóc sức khoẻ và bảo vệ môi trường

Trong số các loại hạt nano được nghiên cứu, ứng dụng thì hạt nano bạc đãgây được sự chú ý đặc biệt bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực,đặc biệt là tính chất kháng khuẩn vượt trội AgNPs được tìm thấy có tiềm năngchống lại các tế bào ung thư phổi ở người từ dịch chiết của cúc la mã [1]

Việc tổng hợp ra hạt nano kim loại bạc có các phương pháp thường được sửdụng như phương pháp hoá học và phương pháp vật lý Nguyên tắc chung của hầuhết các phương pháp này là khử ion kim loại có trong muối thành các nguyên tửkim loại, sau đó các nguyên tử này kết hợp với nhau tạo thành các hạt bạc có kíchthước nano Tuy nhiên các phương pháp này sử dụng thiết bị đắt tiền, dung môi hữu

cơ và hoá chất độc hại ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và môi trường xungquanh Vì vậy để khắc phục những vấn đề trên, “hóa học xanh” ra đời với chiết xuất

từ thực vật không sử dụng các hóa chất độc hại, thân thiện với môi trường đã mở rathêm một lựa chọn đầy triển vọng trong quá trình tổng hợp AgNPs

Trong bài khoá luận này, AgNPs được tổng hợp bằng cách sử dụng dịch chiết

củ ngưu bàng (tên khoa học là Arctium lappa Linn) Củ ngưu bàng có các hoạt tính

sinh học như lợi tiểu, hạ nhiệt, hạ đường huyết, kháng sinh, chống u bướu Ngoài ra

củ ngưu bàng còn có chất chống oxy hoá nên cũng có khả năng ngăn ngừa được ungthư, hạ thấp cholesterol trong máu [2] Từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tàinghiên cứu: “Tổng hợp và ứng dụng nano bạc trên chất mang AlphaCyclodextrin/Alginate sử dụng dịch chiết củ ngưu bàng”

 Mục tiêu đề tài

Đề tài được nghiên cứu với mục tiêu đơn giản, tiết kiệm chi phí, mang lạihiệu quả xanh, sạch, thân thiện với môi trường

 Nội dung đề tài

 Khảo sát các điều kiện tổng hợp composite AgNPs/α-CD/Alginate

 Nghiên cứu tính chất hoá lý của composite AgNPs/α-CD/Alginate

 Ứng dụng hệ composite cho xúc tác phản ứng khử các hợp chất ô nhiễm môitrường gồm: 4-Nitrophenol, Metyl Orange, Rhodamine B

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Nghiên cứu này giúp hiểu biết rõ hơn về phương pháp điều chế hạt nano bạcbằng phương pháp hóa học xanh đơn giản, ít tốn kém, ít độc hại

 Tận dụng nguồn nguyên liệu xanh là củ ngưu bàng để tổng hợp hạt nano

 Bố cục khóa luận gồm 3 chương

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

 Chương 3: Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ nano

1.1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ nano

Sự phát triển của khoa học là nhờ vào những ước mơ, trí tưởng tượng củacon người và công nghệ nano được sinh ra từ những điều đó Khái niệm “nanomet”được đề xuất lần đầu tiên bởi Richard Zsigmondy, người đoạt giải Nobel hóa họcvào năm 1925

Nhà vật lý thiên tài Richard Feynman là cha đẻ của công nghệ nano hiện đại.Năm 1959, trong cuộc họp Hiệp hội Vật lý Hoa kỳ tại Caltech, ông đã trình bày bàidiễn thuyết với tựa đề “There’s Plenty of Room at the Bottom” (Còn những khoảngtrống ở cấp vi mô) Trong đó, ông cho biết quan điểm về khả năng nghiên cứu vàthao tác ở cấp độ nguyên tử Giả thuyết của Feynman đã được chứngminh là chính xác cho nên ông được xem là cha đẻ của công nghệnano hiện đại

Hình 1 1: Nhà vật lý Richard Feynman1

1 http://www.atomicarchive.com/Bios/FeynmanPhoto.shtml

Hơn một thập kỷ sau, nhà khoa học người Nhật Norio Taniguchi

là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “nanotechnology” (công nghệ nano) Ông chorằng công nghệ nano bao gồm việc xử lý, tách, hợp nhất và biến dạng vật liệu bằngmột nguyên tử hoặc một phân tử Vào năm 1981 cùng với sự phát triển của

“scanning tunneling microscope” (kính hiển vi quét xuyên hầm) có thể "nhìn thấy"các nguyên tử riêng biệt và công nghệ nano hiện đại bắt đầu phát triển

Đầu thế kỷ 21 đã cho thấy sự quan tâm ngày càng gia tăng trong các lĩnh vựcmới nổi trội của khoa học nano và công nghệ nano Tại Hoa Kỳ, khái niệm và thaotác về vật chất ở cấp độ nguyên tử của Feynman đóng một vai trò quan trọng trongviệc hình thành các ưu tiên hàng đầu của khoa học quốc gia Vào ngày 21 tháng 1năm 2000, tổng thống Bill Clinton đã tài trợ cho việc nghiên cứu công nghệ mớinày trong một bài phát biểu tại Caltech Ba năm sau tổng thống George W Bush đã

ký đạo luật về Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ nano ở thế kỷ 21

Công nghệ nano đã trở thành nền tảng cho các ứng dụng công nghiệp và tăngdần theo cấp số nhân Chẳng hạn như trong dược phẩm, công nghệ nano đã cónhững ứng dụng về thiết bị y tế như bộ cảm biến sinh học dùng để chẩn đoán, hệthống phân phối thuốc và đầu dò hình ảnh Đối với ngành thực phẩm và mỹ phẩm,việc sử dụng vật liệu nano đã tăng lên đáng kể để cải tiến sản xuất, bao bì, thời hạn

sử dụng

Ngày nay, những lợi ích cùng với tiềm năng của công nghệ nano rất nhiều và

đa dạng Tuy nhiên, các vật liệu chứa các hạt nano có thể là mối quan ngại đối vớisức khỏe con người và môi trường Những mối quan tâm này đã dẫn đến sự xuấthiện các ngành khoa học như Nanotoxicology (độc tính của vật liệu nano) vàNanomedicine (công nghệ dược nano) Một số lợi ích của các vật liệu nano y tếgồm cải thiện việc phân phối thuốc, giảm viêm, lớp phủ kháng khuẩn của thiết bị y

tế, phát hiện các tế bào ung thư Bên cạnh đó, do thiếu dữ liệu đáng tin cậy về độctính nên khả năng ảnh hưởng đến sức khoẻ con người vẫn là mối quan tâm lớn [3]

1.1.2 Khái niệm công nghệ nano

Công nghệ nano là thuật ngữ về các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật nơi cáchiện tượng diễn ra ở các kích thước trên quy mô nanomet được sử dụng trong thiết

kế, phân tích, sản xuất, ứng dụng vật liệu, cấu trúc, thiết bị và hệ thống [4]

Công nghệ nano là ngành công nghệ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như

y học, điện tử, may mặc, thực phẩm,…

 Y học

Nhiều phương pháp điều trị ung thư khác nhau đã được thử nghiệm để có thểhạn chế các khối u phát triển và tiêu diệt chúng ở cấp độ tế bào Ví dụ như các hạtnano vàng được đưa đến các khối u bên trong cơ thể, sau đó chúng được tăng nhiệt

độ bằng tia laser hồng ngoại chiếu từ bên ngoài để có thể tiêu diệt các khối u

Ngoài ra, các nhà khoa học còn nghiên cứu một dự án nanorobot vô cùng đặcbiệt Những chú robot có kích thước siêu nhỏ có thể đi vào bên trong cơ thể conngười để đưa thuốc điều trị đến những bộ phận cần thiết

 Điện tử

Một số sản phẩm phổ biến như chuột, bàn phím, vỏ bọc được phủ một lớpnano kháng khuẩn Công nghệ nano cũng đóng góp không nhỏ trong lĩnh vực côngnghệ năng lượng Pin nano trong tương lai sẽ có cấu tạo theo kiểu ốngnanowhiskers Các cực của pin có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều lần, giúp nólưu trữ được nhiều điện năng hơn trong khi kích thước của pin sẽ ngày càng thuhẹp

 May mặc

Ngành công nghiệp thời trang đã áp dụng công nghệ nano trong một số loạivải đặc biệt Người ta đã sử dụng các hạt nano bạc có khả năng diệt vi khuẩn gây

mùi hôi khó chịu trong quần áo Các hạt nano bạc này có thể thu hút các vi khuẩn

và tiêu diệt các tế bào của chúng

1.2.2 Phân loại

Đối với trạng thái của vật liệu, người ta chia thành ba nhóm là trạng thái rắn,trạng thái lỏng và trạng thái khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện naychủ yếu là vật liệu rắn, rồi mới đến chất lỏng và khí

 Dựa vào hình dáng vật liệu người ta phân thành các loại:

 Vật liệu nano không chiều: Đây là loại vật liệu cả ba chiều đều có kích thướcnano, không còn chiều tự do nào cho điện tử Ví dụ như đám nano, hạt nano,

…

 Vật liệu nano một chiều: Đây là loại vật liệu trong đó hai chiều có kích thướcnano, điện tử được tự do trên một chiều và hai chiều còn lại không tự do Ví

dụ như ống nano, dây nano,…

 Vật liệu nano hai chiều: Đây là loại vật liệu trong đó một chiều có kích thướcnano và điện tử được tự do trên hai chiều Ví dụ như màng mỏng,…

 Dựa vào tính chất vật liệu thể hiện sự khác biệt ở kích thước nanongười ta phân thành các loại:

 Vật liệu nano kim loại

 Vật liệu nano bán dẫn

 Vật liệu nano từ tính

 Vật liệu nano sinh học

Dựa vào cách phối hợp hai cách phân loại với nhau hoặc phối hợp haikhái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới, người ta phân loại nhưsau:

 Hạt nano kim loại: trong đó “hạt” được phân loại theo hình dáng, “kim loại”được phân loại theo tính chất

 Vật liệu nano từ tính sinh học: trong đó “từ tính”, “sinh học” đều được phânloại theo tính chất [5]

1.3 Hạt nano

Thành phần cơ bản của công nghệ nano là các hạt nano Theo tiêu chuẩn ISO

và ASTM, hạt nano là các hạt có kích thước từ 1 đến 100 nanomet Các hạt nanothường được phân loại thành các hạt hữu cơ, vô cơ, cacbon và chúng thể hiện cáctính chất mới so với các hạt lớn hơn của cùng một vật liệu [6]

Có hai phương pháp cơ bản để tổng hợp hạt nano đó là phương pháp từ trênxuống “top – down” và phương pháp từ dưới lên “bottom – up” [5], [7]

- Là chia nhỏ khối vật liệu có kích

thước lớn để tạo thành các vật liệu

có kích thước nanomet như phương

pháp cơ học (nghiền, cán, đùn),

phương pháp ăn mòn laser,…

- Là lắp ghép các nguyên tử, phân

tử để thu được các hạt có kíchthước nano như phương pháp hoáhọc sol - gel, lắng đọng hơi hoáhọc, phương pháp tự lắp ghép,phương pháp khử vật lý; khử hoá

lý; khử hóa học,…

- Phương pháp thường áp dụng đốivới hạt nano kim loại như bạc,vàng,…

Ưu điểm: đơn giản, khá hiệu quả

Nhược điểm: thiết bị đắt tiền, tạo ra

1.4 Hạt nano kim loại

1.4.1 Khái niệm và nguồn gốc hạt nano kim loại

có kích thước 70 nm Đến năm 1857, khi Michael Faraday nghiên cứu một cách hệthống các hạt nano vàng thì các nghiên cứu về phương pháp chế tạo, tính chất vàứng dụng của các hạt nano kim loại mới thực sự được bắt đầu Các nhà khoa học đãthiết lập các phương pháp chế tạo và hiểu được các tính chất thú vị của hạt [8]

Hình 1 2: Chiếc cốc Lycurgus được trưng bày ở bảo tàng Anh2

1.4.2 Tính chất hạt nano kim loại

 Tính chất quang

Tính chất quang học của các hạt nano đã xuất hiện trong các sản phẩm củacon nguời từ thời cổ đại Các hiện tượng này bắt nguồn từ hiện tượng cộng hưởngPlasmon bề mặt Vì bản chất của kim loại có nhiều điện tử tự do cho nên plasmon

bề mặt là sự dao động của điện tử tự do trên bề mặt các hạt nano dưới tác dụng củađiện từ trường bên ngoài như ánh sáng Nếu kích thước của hạt nano kim loại nhỏhơn so với bước sóng của ánh sáng tới thì hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặtxảy ra Màu sắc của các hạt nano phụ thuộc rất nhiều vào kích thước, hình dạng vàmôi trường xung quanh của chúng [5]

Do sự bù trừ cặp điện tử mà các kim loại quý (Au, Ag, ) có tính nghịch từ ởtrạng thái khối Khi vật liệu thu nhỏ kích thước thì sự bù trừ sẽ không toàn diện nữa,

vì vậy vật liệu có từ tính tương đối mạnh Các kim loại có tính sắt từ ở trạng tháikhối (các kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni) thì khi kích thước nhỏ sẽ phá vỡ trật tựsắt từ làm cho chúng chuyển sang trạng thái siêu thuận từ Vật liệu ở trạng thái siêuthuận từ có từ tính mạnh khi có từ trường và không có từ tính khi từ trường bị ngắt

đi [5]

1.5 Hạt nano bạc

1.5.1 Sơ lược về kim loại bạc

Đây là một trong những kim loại nổi tiếng và xuất hiện thường xuyên trongcuộc sống hàng ngày Bạc được dùng làm đồ trang sức, đồ bạc, huy chương, đúctiền hoặc dùng trong sản xuất gương và có thể mạ trên thủy tinh Ngoài ra, bạc còn

là một phụ gia hợp kim quan trọng Nó được sử dụng trong chế tạo răng giả, làmchất hàn và điều chế hợp kim

Một số tính chất vật lý của bạc như:

 Bạc là một kim loại chuyển tiếp màu trắng, có ánh kim, mềm, dẻo, dễ kéo sợi

và dát mỏng Bạc nguyên chất có độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao nhất trong sốcác kim loại

 Ký hiệu: Ag

 Khối lượng phân tử: 107,87 g/mol

 Khối lượng riêng: 10,5 g/cm3

 Nhiệt độ nóng chảy: 961,78 oC

 Nhiệt độ sôi: 2210 oC

 Bạc nguyên chất trên thị thường có độ tinh khiết tối thiểu 99,9 % và có thểlên đến 99,999 % [9]

1.5.2 Tính chất và ứng dụng của nano bạc

Nano bạc là một loại hạt nano kim loại, bao gồm các hạt có kích thước nano

từ 1-100 nm Nano bạc thường ở dưới dạng dung dịch keo, người ta thường chọnpolymer là vật liệu ưu tiên bởi cấu trúc linh hoạt của chúng với các nhóm chức thíchhợp trên chuỗi polymer dài cho phép kết hợp và cố định các hạt nano được tạothành Nano bạc mang đầy đủ các tính chất của bạc khối như tính quang học, dẫnđiện, dẫn nhiệt, khả năng xúc tác và kháng khuẩn [10], [11]

Bạc ở kích thước nano là vật liệu có các tính chất quang học Nhờ hiện tượngcộng hưởng plasmon bề mặt, nano bạc có thể hấp phụ ánh sáng ở một bước sóngđặc trưng Tính chất quang học của nano bạc được áp dụng để chế tạo các bộ phậncảm biến, thiết bị quang học, lọc quang học trong các thiết bị chuẩn đoán phân tử.Ngoài ra, nhờ vào khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, nano bạc còn được tích hợpvào các sản phẩm như pin quang điện, mực dẫn điện, các sản phẩm điện tử, các chitiết cần độ dẫn điện cao [12], [13]

Khả năng diệt khuẩn của nano bạc được ứng dụng rộng rãi trong y học vàcuộc sống hàng ngày của con người Nano bạc được dùng để băng bó vết thương,sát trùng dụng cụ y khoa, cảm biến sinh học, sản xuất đồ gia dụng và cá nhân nhưbình nước, bình sữa, máy giặt, bàn phím, Các hạt nano bạc có khả năng diệtkhuẩn tốt chống lại 650 loại vi khuẩn, nấm, thậm chí là virus Bạc có khả năng pháhủy enzym vận chuyển chất dinh dưỡng của tế bào vi khuẩn, làm yếu màng, thành

tế bào và tế bào chất, làm rối loạn quá trình trao đổi chất và dẫn đến vi khuẩn bị tiêudiệt [11]

Nano bạc có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau tuỳ theomục đích và yêu cầu sử dụng Các phương pháp tổng hợp nano bạc thường chia làmhai nhóm chính: phương pháp vật lý và phương pháp hoá học

 Phương pháp vật lý

Trong các phương pháp vật lý, các hạt nano bạc được tổng hợp bằng phươngpháp ngưng tụ - bay hơi, nó được thực hiện bằng cách sử dụng lò nung ở áp suất khíquyển Một số nghiên cứu đã sử dụng tác nhân vật lý như điện tử, sóng điện từ (tia

UV, tia laser, tia gamma) để khử ion bạc tạo thành nano bạc Ưu điểm của phươngpháp này đơn giản hơn phương pháp hoá học, tuy nhiên năng suất thấp, tiêu thụnăng lượng cao, ô nhiễm dung môi và thiết bị đắt tiền [5], [14]

 Phương pháp hoá học

Đây là phương pháp truyền thống và được ứng dụng nhiều nhất trong tổnghợp nano bạc Trong các phương pháp hoá học, phương pháp khử hoá học được sửdụng nhiều nhất trong nghiên cứu và thực tế Phương pháp khử hoá học là dùng cáctác nhân hoá học để khử ion bạc tạo kim loại bạc, sau đó chúng kết tụ lại với nhautạo thành nano bạc Các tác nhân khử thường được sử dụng như Natri Borohydride(NaBH4), Sodium Citrate, Acid Ascorbic, Hydrazine, Việc lựa chọn hoá chất phùhợp tuỳ thuộc vào tính kinh tế, yêu cầu quá trình điều chế và chất lượng hạt nano[5]

Nhìn chung hai phương pháp trên vẫn có những hạn chế lớn, bao gồm độctính từ các tác chất sử dụng cũng như khó khăn trong việc loại bỏ các tác chất trên,đắt tiền, không thân thiện với môi trường Nhằm tránh hoặc giảm ảnh hưởng củacác tác chất độc hại, phương pháp sinh học đã nổi lên như một lựa chọn khả thitrong việc điều chế nano bạc Sự tổng hợp qua trung gian sinh học của các hạt nanogần đây đã được giới khoa học chứng minh là đơn giản, hiệu quả về kinh tế, tươngthích sinh học và thân thiện với môi trường Các nhà nghiên cứu đã chú ý việc tổnghợp nano bạc với năng suất cao bằng cách sử dụng các hệ thống sinh học như vikhuẩn, nấm, chiết xuất từ thực vật Trong số các phương pháp hoá học xanh,phương pháp tổng hợp các hạt nano từ chiết xuất thực vật đang ngày càng cho thấy

nhiều tiềm năng và ưu thế do các tác chất có giá thành thấp, quy trình sử dụng đơngiản và thân thiện với môi trường [14], [15]

 Phương pháp tổng hợp nano kim loại trên hệ chất mang

Do có tính ứng dụng rộng rãi mà các vật liệu kim loại phân tán trên chất mangthu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới Cácnghiên cứu chế tạo kim loại kích thước nano trên chất mang đã thu được nhữngthành tựu hết sức ấn tượng, chẳng hạn tạo ra vật liệu có kích thước đồng đều cỡnanomet, có trạng thái phân tán cao trên chất mang, đảm bảo phóng thích bền vững

và tạo ra sự ổn định của Ag Vì thế, các nghiên cứu này đã và đang được ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực khoa học [12]

Để tăng tính hiệu quả của quá trình tổng hợp và giải quyết vấn đề kết tụnhanh của các hạt nano bạc theo thời gian, phương pháp thông thường nhất là sửdụng các chất ổn định bao bên ngoài hạt nano bạc nhằm tránh sự tiếp xúc giữa cáchạt nano bạc và tránh sự liên kết các hạt nano bạc lại với nhau Chất ổn định thườngdùng gồm các loại polymer như polymer nhân tạo (PVA,PVP,…), polymer tự nhiên(Chitosan) Polyme là vật liệu làm chất mang được sử dụng ưu tiên vì cấu trúc linhhoạt của chúng với các nhóm chức thích hợp trên các chuỗi polyme cho phép kếthợp và cố định các hạt nano tạo thành các nanocomposite Việc kết hợp của các hạtnano bạc cùng với các polyme hoà tan trong nước sẽ tạo ra các kháng sinh mới Dựatrên điều này, các polyme tự nhiên khác nhau (tinh bột, gelatin, sodium alginate,carboxy methyl cellulose,…) được sử dụng để chế tạo vật liệu nano bạc polymetương thích sinh học [11], [16]

Những hạt nano kim loại trên chất mang có hoạt tính xúc tác cao hơn rấtnhiều so với các xúc tác cũng được chế tạo từ kim loại đó nhưng không ở trạng tháiphân tán cao trên chất mang Bởi vì số lượng của các nguyên tử kim loại phân tántrên chất mang tăng lên nhiều lần và chúng phân tán trên bề mặt chất mang đồngđều hơn nhiều so với các xúc tác ở kích thước khác [12]

Vì vậy trong bài khoá luận này, chúng tôi hướng đến tổng hợp xanh AgNPstrên hệ chất mang Alpha Cyclodextrin/Alginate bằng cách sử dụng dịch chiết củ

ngưu bàng (tên khoa học là Arctium lappa Linn)

1.6 Nghiên cứu ứng dụng xúc tác của nano bạc

Các hạt nano kim loại đã thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu trongthập kỷ qua nhờ tính chất độc đáo của chúng và vì thế chúng được ứng dụng rộngrãi trong việc sử dụng làm chất xúc tác [17], [18], [19]

1.6.1 Giới thiệu về 4-Nitrophenol

4-Nitrophenol còn được gọi là para nitrophenol hoặc 4-hydroxynitrobenzene,

có công thức phân tử C6H5NO3 Đây là một hợp chất phenolic có nhóm nitro đặt ở

vị trí đối diện của nhóm hydroxyl trên vòng benzen

Hình 1 3 Công thức cấu tạo của 4-Nitrophenol4-Nitrophenol là hợp chất nitro thơm được sử dụng rộng rãi trong sản xuấtthuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, thuốc diệt nấm và do đó có sự hiện diệncủa chúng trong nước thải công nghiệp, đất, không khí Theo Cơ quan Bảo vệ Môitrường Hoa kỳ (United States Environmental Protection Agency, viết tắt là EPA),đây là chất gây ô nhiễm nguy hiểm cho sức khoẻ con người Vì tính ổn định caotrong môi trường và không bị phân hủy sinh học nên việc phân hủy nó đang là mốiquan tâm lớn [20]

4-Nitrophenol là một hợp chất độc hại vì có thể làm tổn thương hệ thần kinhtrung ương, gan, thận, máu của con người và động vật Bên cạnh đó, nó có thể làmhỏng ty thể và ức chế chuyển hóa năng lượng ở người và động vật [20]

Vì vậy, việc khử hoặc chuyển đổi 4-Nitrophenol trở thành tầm quan trọng cả

về môi trường và công nghiệp Các hạt nano kim loại đã nhận được sự quan tâm lớn

do vai trò xúc tác của chúng trong việc khử và phân hủy thuốc nhuộm Trong số cáckim loại quý, AgNPs đã trở thành trọng tâm của nghiên cứu chuyên sâu bởi tiềmnăng và chi phí tương đối thấp của nó [21]

Methyl Orange (có công thức phân tử C14H14N3NaO3S) là mộtchất bột tinh thể màu da cam, không tan trong dung môi hữu cơ,khó tan trong nước nguội, dễ tan trong nước nóng Methyl Orangethường được sử dụng làm chất chỉ thị trong các lĩnh vực phân tíchkhác nhau

Hình 1 4 Công thức cấu tạo của Methyl OrangeMethyl Orange nói riêng và các phẩm màu họ azo nói chung

là những hợp chất hữu cơ thường được sử dụng rộng rãi trongphòng thí nghiệm, các ngành dệt may, in ấn, sản xuất giấy, Trong thời gian gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra tínhđộc hại và nguy hiểm của hợp chất họ azo đối với môi trường sinh

thái và con người, đặc biệt hợp chất này có thể gây ung thư chongười sử dụng [22]

Ngày nay, việc xả thuốc nhuộm nguy hiểm từ các ngành dệt may trong cácvùng nước như hồ, sông, nước ngầm đã trở thành một vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng,bởi màu thuốc nhuộm không chỉ làm giảm sự xâm nhập của ánh sáng mặt trời vàoxy hòa tan trong nước mà còn giải phóng các hợp chất độc hại ảnh hưởng đến hệthực vật và động vật thủy sinh Chính vì thế, các hạt nano kim loại đã được sử dụng

để phân huỷ thuốc nhuộm dựa vào các tính chất đặc biệt của chúng và nano bạcđược đánh giá là chất xúc tác tuyệt vời trong nhiều phản ứng khử [23]

Rhodamine B (có công thức phân tử C28H31ClN2O3) cũng là một trong nhữngthuốc nhuộm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp dệt may, giấy, thực phẩm,

mỹ phẩm Rhodamine B là những tinh thể ở dạng bột, có ánh xanh, độc hại, tan tốttrong nước, ethanol, methanol [24]

Hình 1 5 Công thức cấu tạo của Rhodamine BRhodamine B cũng là một chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải côngnghiệp Khi tiếp xúc với nó sẽ gây dị ứng, làm mẩn ngứa da, mắt, ảnh hưởng đếnđường hô hấp gây ho, ngứa cổ và khó thở Một lần nữa, các hạt nano kim loại quýnhư vàng, bạc, palladium được lựa chọn làm chất xúc tác để phân huỷ thuốc nhuộmhữu cơ này [24], [25]

1.7 Khái quát về nguyên liệu trong tổng hợp xanh nano kim loại bạc trên hệ mang α-CD/Alginate

1.7.1 Alpha Cyclodextrin (α-CD)

1.7.1.1 Nguồn gốc của Alpha Cyclodextrin

Cyclodextrins (CD) là các chất được tổng hợp từ sự phân hủy enzyme củatinh bột Cyclodextrins được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1891 bởi AntoineVilliers, chúng được tổng hợp từ carbohydrate với xúc tác enzyme được bài tiết bởi

vi khuẩn Bacillus macerans Sau đó, nhà hoá học và vi khuẩn học Franz

Schardinger đã xác định ba cyclodextrin tự nhiên là α-CD, β-CD và γ-CD Ôngđược xem là cha đẻ của cyclodextrin nên trong nhiều năm cyclodextrin được gọi là

“Schardinger dextrins” Đến năm 1942, cấu trúc của α-CD đã được xác định bằngtia X bởi French và Rundle [26], [27]

1.7.1.2 Cấu tạo của Alpha Cyclodextrin

Công thức phân tử: (C6H10O5)6

Phân tử α-CD (còn gọi là Cyclomaltohexaose, Cyclohexapentylose) thuộc họoligosaccharide cyclic được hình thành gồm sáu đơn vị α-D-glucopyranose nối vớinhau bởi liên kết α-1,4-glycoside [28]

Hình 1 6 Cấu tạo Alpha Cyclodextrin

Phân tử α-CD có bề mặt ngoài ưa nước và khoang bên trong kỵ nước Do sựhình thành cấu tạo ghế của các đơn vị glucopyranose, phân tử α-CD có hình dạngnón cụt thay vì hình trụ Các nhóm chức hydroxyl định hướng ở mặt ngoài hìnhnón, trong đó những nhóm hydroxyl bậc một ở phía vành hẹp của hình nón vànhững nhóm hydroxyl bậc hai ở vị phía vành rộng hơn Khoang bên trong được baobọc bởi khung carbon với các nguyên tử hydro và cầu oxy làm cho nó có tính kỵnước [29], [30], [27], [31]

Hình 1 7 Đặc điểm cấu tạo của α-CDKích thước của α-CD: đường kính trong từ 0,47 nm đến 0,53 nm, đường kínhngoài 1,46 nm, chiều cao 0,79 nm [27], [31]

1.7.1.3 Tính chất và ứng dụng của Alpha Cyclodextrin

Độ hoà tan trong nước(g/100mL) ở 25oC

14,5

Thể tích khoang bên trong

(nm3)

0,174Nhiệt độ nóng chảy (oC) 278Bảng 1 2 Tính chất vật lý của α-CD [27], [31]

Khoang bên trong có tính năng quan trọng vì nó cung cấp khả năng hìnhthành phức hợp với những phân tử có tính chất khác nhau Thế nhưng các phân tửnày phải có kích thước tương thích với khoang bên trong của α-CD để tạo thànhmột phức hợp ổn định Sự tạo thành phức của phân tử α-CD dựa trên tương tác giữa

“host - guest” (chủ thể - khách thể) Đây là hiện tượng một “khách thể” bị giữ, bịbao bọc bên trong khoang của phân tử “chủ thể” α-CD và một phân tử α-CD sẽchứa một phân tử “khách thể” [32], [33]

Phân tử α-CD có độ hòa tan trong nước cao hơn β-CD nhưng lại thấp hơn sovới γ-CD Nhìn chung, độ hòa tan trong nước của phân tử α-CD thấp hơn so với cácsaccharide không vòng và các dextrin tuyến tính do có sự liên kết hydro tương đốimạnh giữa các α-CD ở trạng thái tinh thể Vì thế, việc thay thế nhóm hydroxyl bằngmột nhóm trung tính (hydroxypropyl) hoặc một nhóm ion (carboxymethyl, aminbậc ba, amin bậc bốn) sẽ dẫn đến kết quả cải thiện đáng kể khả năng hòa tan trongnước của chúng [34], [30], [35], [36]

So với các oligosaccharide mạch thẳng thì phân tử α-CD bền về mặt hóa học.Các acid mạnh như Acid Hydrochloric, Acid Sulfuric có thể phân hủy α-CD tạo rahỗn hợp các oligosaccharide khác nhau (từ mạch thẳng do α-CD bị mở vòng chođến tận glucose) Tốc độ thủy phân tăng khi nhiệt độ và nồng độ acid tăng Sự thủyphân hầu như không xảy ra trong môi trường acid yếu như acid hữu cơ Ngoài ra, α-

CD cũng không bị thủy phân bởi kiềm dù ở nhiệt độ cao và các phân tử này khôngthể bị thủy phân bởi các enzyme amylase nhưng được lên men bởi hệ vi sinh đườngruột [30], [34]

 Ứng dụng

Cyclodextrin đã được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm dược phẩm, mỹphẩm cũng như các sản phẩm của ngành công nghiệp khác Hiện nay, sản lượngCyclodextrin hàng năm đạt hơn 10.000 tấn, trong đó có khoảng 70% là β-CD, 15%

là α-CD, 5% là γ-CD và 10% còn lại là các dẫn xuất của nó Các nhà nghiên cứucho rằng sử dụng α-CD ở liều thấp bằng đường uống thì vẫn an toàn Vì vậy, α-CD

đã được liệt kê trong một số nguồn dược điển bao gồm Dược điển Hoa Kỳ, Dượcđiển Châu Âu và Dược điển Nhật Bản Ngoài ra, nó còn thường được sử dụng làmphụ gia thực phẩm để hỗ trợ quá trình nhũ hoá, ổn định hương vị [37], [38]

1.7.2 Sodium Alginate (Natri Alginate)

1.7.2.1 Nguồn gốc của Sodium Alginate

Alginate là loại polymer sinh học biển phong phú và nhiều thứ hai trên thếgiới, xếp sau cellulose và lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà hóa học người AnhE.C.C Stanford vào năm 1881 Alginate có trong thương mại thường được chiết

xuất nhiều nhất từ tảo nâu bao gồm các loài Laminaria, Macrocystis, Ascophyllum,

Eclonia, Lessonia, Durvillea và Sargassum Bên cạnh đó, Alginate cũng được tổng

hợp bởi một số vi khuẩn như loài Azotobacter và Pseudomonas Các dạng Alginate

bao gồm Acid Alginic, muối Canxi, Kali, Amoni của Acid Alginic thế nhưng NatriAlginate là dạng chính được sử dụng nhiều nhất [39], [40], [41]

1.7.2.2 Cấu tạo của Sodium Alginate

Công thức phân tử: (C6H7O6Na)n

Sodium Alginate là một dẫn xuất polysaccharide tuyến tính của Acid Alginic,gồm hai phân tử β-D-Mannuronic acid (M) và α-L-Guluronic acid (G) liên kết vớinhau bằng liên kết 1,4-glycoside Việc chuyển đổi Acid Alginic thành SodiumAlginate nhằm hỗ trợ khả năng hòa tan trong nước của nó Các monomer trongphân tử có thể liên kết ngẫu nhiên với nhau theo ba loại khối: poly-G (G-G-G-G),poly-M (M-M-M-M) hoặc poly-GM (GM-GM) [42], [43], [39]

Hình 1 8 Cấu tạo của Sodium Alginate

1.7.2.3 Tính chất và ứng dụng của Sodium Alginate

 Tính chất

Alginate là một polymer sinh học được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

vì nó có sẵn trong tự nhiên, có khả năng tương thích sinh học, phân hủy sinh học,không độc hại và chi phí thấp Sodium Alginate dễ hòa tan trong nước, tạo dungdịch keo nhớt có độ dính và độ nhớt cao, nó không tan trong rượu và các dung môihữu cơ như Chloroform, Ether Ngoài ra, Sodium Alginate dễ bị cắt mạch bởi cácyếu tố acid, kiềm mạnh, nhiệt độ cao, enzyme Khi tương tác với acid vô cơ thìchuyển thành Acid Alginic, do đó người ta lợi dụng tính chất này để tinh chế AcidAlginic trong công nghiệp [44], [42], [39]

Khi hòa tan Alginate vào nước thì nó sẽ ngậm nước và tạo thành dung dịch

có độ nhớt Độ nhớt tỷ lệ thuận với chiều dài phân tử của Alginate Trong một sốtrường hợp có thể gia tăng độ nhớt ở nồng độ thấp với sự hiện diện của các cơ chất(CaSO4, CaSO3) Các ion Ca2+ liên kết với Alginate tạo liên kết chéo trong phân tửgia tăng, làm gia tăng trọng lượng phân tử và độ nhớt của dung dịch [44]

Một ưu điểm nổi trội của Alginate chính là khả năng tạo gel Alginate thườngđược sử dụng dưới dạng hydrogel trong y sinh, bao gồm chữa lành vết thương, vậnchuyển dược chất (màng hydrogel bao bọc thuốc) và bao bọc tế bào, mô Polymerhydrogel là loại polymer ưa nước nhưng không tan trong nước Trong môi trườngnước, mạch polymer hấp thụ nước và tạo ra một mạng ba chiều các chuỗi mạch

polymer Phương pháp phổ biến nhất để điều chế hydrogel từ dung dịch Alginatetan trong nước là kết hợp với các tác nhân liên kết ngang ion, chẳng hạn như cáccation hóa trị hai (ví dụ ion Ca2+) Các cation hóa trị hai chỉ liên kết với các khốiGuluronate (khối G) của chuỗi Alginate vì cấu trúc của các khối G cho phép mức độphối hợp cao Các khối G của một polymer tạo mối nối với các khối G của chuỗipolymer liền kề theo mô hình “Box egg” của liên kết chéo dẫn đến cấu trúc gel Tuyion Ca2+ không hình thành liên kết mạnh nhất nhưng nó được sử dụng thường xuyênnhất vì đặc tính không độc hại và chi phí thấp [42], [45]

Hình 1 9 Sự kết hợp giữa ion Ca2+ và Alginate

 Ứng dụng

 Trong y học

Vai trò của Alginate trong dược phẩm rất quan trọng vì nó là các tác nhân ổnđịnh, làm đặc, tạo gel, vật liệu tương thích sinh học, không gây bệnh và không độchại

Alginate hoạt động như một rào cản vật lý để giảm các cơn trào ngược dạdày, một số sản phẩm dược từ Alginate được sử dụng để điều trị triệu chứng ợ nóng

và viêm thực quản Một số nghiên cứu tiết lộ rằng Sodium Alginate có thể dichuyển đến thực quản trước các dịch tiết của dạ dày và do đó giúp ích trong việc

giảm dịch tiết acid Ngoài ra, Alginate còn có tác dụng trong việc điều trị bệnh béophì, tiểu đường, làm chất kháng khuẩn, kháng virus và kháng nấm [46]

Gel của Alginate đã được nghiên cứu để có thể vận chuyển các loại thuốc cókích thước nhỏ.Bên cạnh đó, Alginate là một chất tuyệt vời cho việc vận chuyển cácloại thuốc protein, bởi protein có thể kết hợp với Alginate dựa trên những điều kiệntương đối mà không làm giảm thiểu sự biến tính của protein và gel có thể bảo vệprotein khỏi sự phân hủy cho đến khi nó được giải phóng Một loạt các đề tài đãđược nghiên cứu để kiểm soát tốc độ giải phóng protein từ gel Alginate Nhìnchung, tốc độ giải phóng protein từ gel Alginate là nhanh chóng bởi độ xốp và bảnchất ưa nước của gel

Việc băng bó vết thương theo cách truyền thống (ví dụ như gạc) là bảo vệcho vết thương khô, tránh cho vết thương tiếp xúc với tác động có hại bên ngoài.Giờ đây theo phương thức hiện đại hơn, băng Alginate tạo ra môi trường ẩm để kíchthích quá trình lành vết thương Băng Alginate hấp thụ dịch tiết ra từ vết thương,sau đó gel sẽ cung cấp nước cho vết thương tạo môi trường ẩm và giảm thiểu khảnăng nhiễm trùng tại đây [45]

 Trong công nghiệp thực phẩm

Sodium Alginate là một loại phụ gia thực phẩm tự nhiên nên được ứng dụngrộng rãi và có triển vọng tốt trong ngành công nghiệp thực phẩm Vì SodiumAlginate tạo thành gel ở nhiệt độ thấp, do đó hữu ích trong việc tái cấu trúc nhữngthực phẩm có thể bị hư hỏng hoặc bị oxy hóa ở nhiệt độ cao chẳng hạn như sảnphẩm thịt, trái cây và rau quả Ngoài ra, nó còn tạo độ ngon miệng trong các sảnphẩm, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất

Sodium Alginate còn là chất làm đặc, ổn định trong kem, có thể ngăn được

sự tạo thành tinh thể đá băng Trong kem, nó ức chế hoàn toàn sự tạo thành tinh thểcủa Lactose, làm bền bọt, tạo độ nhớt và độ mịn cho kem, tạo gel, có khả năng giữnước cho kem, làm cho kem không bị tan chảy [44], [47]

1.7.3 Củ ngưu bàng

1.7.3.1 Đặc điểm của của ngưu bàng

Cây ngưu bàng (tên khoa học là Arctium lappa Linn) thuộc họ Asteraceae, là

loại cây thân thảo lớn, thường sống hai năm, cao khoảng 1,5 m Lá cây to rộng cóhình trái tim, chiều dài khoảng 50 cm còn chiều rộng khoảng 30 cm, mặt trên lá cómàu xanh đậm trong khi mặt dưới có màu xanh xám nhạt và được phủ lông tơ Hoamàu đỏ hoặc tím nhạt hợp thành vòng tròn có đường kính 2 cm, mọc ở đầu cành.Cây ngưu bàng đã được sử dụng trị liệu ở Châu Âu, Bắc Mỹ và Châu Á trong hàngtrăm năm qua Củ, hạt và lá của cây ngưu bàng đã được nghiên cứu vì sự phổ biếncủa nó đối với y học cổ truyền Trung Quốc [2], [48], [49]

Hình 1 10 Cây ngưu bàng (A)3 và củ ngưu bàng (B)4

1.7.3.2 Thành phần hoá học

Các thành phần chủ yếu được phân lập từ cây ngưu bàng đã được xác địnhtrong thập kỷ qua bao gồm: lignans, terpenoids, polyphenols, polysaccharide,…Bên cạnh đó, nó còn chứa các thành phần dinh dưỡng: amino acid, kim loại,vitamin, protein, carbohydrate, khoáng chất,…[2], [48]

3 http://tapchitrungnien.com/cay-nguu-bang-cao-luong-my-vi-tri-bach-benh-cua-nguoi-nhat.html

4 http://imgsg.blogspot.com/2016/10/cu-nguu-bang-burdock.html?m=0

1.7.3.3 Công dụng dược lý

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cây ngưu bàng có các hoạt tính sinh học nhưlợi tiểu, hạ nhiệt, kháng sinh, tăng cường hệ thống tiêu hóa, điều trị ung thư, chốngbệnh tiểu đường, kháng virus [2], [48]

Ở bên trong hạt, một số hợp chất có hoạt tính chống viêm và có tác dụng ứcchế hiệu quả đối với sự phát triển của khối u như ung thư tuyến tụy Đối với dịchchiết từ lá, các hợp chất được phân lập có thể ức chế sự tăng trưởng của vi sinh vậttrong khoang miệng Đặc biệt, củ ngưu bàng đã được sử dụng nhiều nhất trong cácmục đích điều trị Chẳng hạn một số thành phần hóa học có trong củ được tìm thấy

có thể giải độc trong máu, thúc đẩy tuần hoàn máu lên bề mặt da, tái tạo và chữabệnh trên da Các chất chống oxy hoá và các hợp chất chống bệnh tiểu đường cũng

đã được tìm thấy tại đây Hơn thế nữa, củ ngưu bàng có hiệu quả vô cùng to lớntrong việc loại bỏ kim loại nặng ra khỏi cơ thể chúng ta [2]

1.8 Các công trình nghiên cứu trước đây

1.8.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Năm 2013, Shihong Lin và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp hạt nanobạc-Alginate nhằm mục đích khử trùng nước uống dựa vào ba phương pháp khácnhau Trong phương pháp thứ nhất, đầu tiên các hạt ion bạc được hấp thụ bởi cáchạt Alginate, sau đó khử bằng Natri Borohydride (NaBH4) tạo ra hạt có kích thước

là 2,45 ± 0,62 nm Trong phương pháp thứ hai, các hạt nano bạc được tổng hợp vớilớp phủ ion citrate, sau đó kết hợp với các hạt Alginate trong quá trình tạo gel tạo rahạt có kích thước 28,56 ± 13,45 nm Ở phương pháp thứ ba, các ion bạc bị khửđồng thời với sự gel hoá của Alginate tạo ra hạt có kích thước 2,61 ± 0,92 nm Từkết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp thứ ba đạt được hiệu quả tốt nhất [50]

Năm 2014, Arkadius Maciollek and Helmut Ritter đã báo cáo về việc tổnghợp nano bạc ổn định trong thời gian dài bằng cách sử dụng bạc nitrat và copolymer

từ N-isopropylacrylamide (NIPAM) và

mono-(1H-triazolylmethyl)-2-methylacryl-β-cyclodextrin đóng vai trò là chất khử và chất ổn định Việc khử được thực hiện

trong nước tại pH trung tính ở nhiệt độ phòng Hai nhà nghiên cứu đã sử dụng chấtkhử tự nhiên (Cyclodextrin) thân thiện với môi trường mà không sử dụng chất khửđộc hại hoặc chất khử bổ sung nào khác Các hạt nano hình cầu với kích thước khácnhau có thể được điều chỉnh từ 30 - 100 nm dựa vào sự thay đổi nồng độ bạc nitrat,nồng độ của chất khử và chất ổn định hoặc thời gian phản ứng [51]

Năm 2015, Foliatini và cộng sự đã tổng hợp xanh thành công các hạt nanobạc trong vòng 1 - 2 phút dưới sự chiếu xạ vi sóng từ muối AgNO3 và dung dịchAlginate Tại đây các phân tử Alginate đóng vai trò vừa là chất khử, vừa là chất ổnđịnh Độ pH và tỷ lệ nồng độ của Alginate/muối kim loại ảnh hưởng lớn đến sựphân bố và kích thước của hạt nano Tỷ lệ này càng cao thì kích thước hạt càng nhỏ,

sự phân bố càng hẹp Bài báo cáo này cho thấy khả năng kiểm soát hình dạng, kíchthước hạt dựa vào điều chỉnh tỷ lệ nồng độ của Alginate/muối kim loại, pH vàcường độ ion [52]

Năm 2015, Shakeel Ahmed và đồng nghiệp tổng hợp nano bạc bằng cách sử

dụng dịch chiết của lá Sầu đâu (tên khoa học Azadirachta indica) Dịch chiết của lá

đóng vai trò là chất khử Đặc tính hạt nano bạc qua quang phổ UV-Vis với bướcsóng nằm trong khoảng 436 - 446 nm và kích thước hạt trung bình là 34 nm Hơnthế nữa, các hạt nano bạc có hoạt tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn gram dương

(Staphylococcus aureus) và vi khuẩn gram âm (Escherichia coli) [53].

Năm 2017, Geeta Arya và các cộng sự đã đưa ra phương án nghiên cứu phânhủy chất gây ô nhiễm và thuốc nhuộm hữu cơ (chủ yếu liên quan đến nitro-amines

và thuốc nhuộm azo) do con người gây ra bằng cách tổng hợp nano bạc từ lá Đậu

(tên khoa học Cicer arietinum) Các hạt nano bạc này sau khi được tổng hợp có khả

năng giảm độc tố có hại và các sản phẩm phụ của chúng, từ đó làm giảm các chất ônhiễm môi trường Sau khi tối ưu hóa nồng độ AgNO3, tỷ lệ chất phản ứng, thờigian phản ứng và nhiệt độ phản ứng trong việc tổng hợp hạt nano, người ta thấyrằng các hạt nano bạc tối ưu có thể được tổng hợp tại nồng độ dung dịch 1 mMAgNO3 ở 25oC trong vòng 40 phút với tỷ lệ dịch chiết là 1:10 Đặc tính hạt nano bạc

được thể hiện qua quang phổ UV-Vis với bước sóng 420 nm, đường kính hạt 88,8

nm và thế Zeta là -13,6 mV Hoạt tính kháng khuẩn của hạt nano bạc cũng đã được

thực hiện ở nồng độ khác nhau nhằm chống lại vi khuẩn E coli và P Aeruginosa

[54]

Năm 2017, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Apiwat Chompoosor (Khoa Hóahọc, Đại học Ramkhamhaeng tại Thái Lan) đã sử dụng chiết xuất từ cây nha đam đểtổng hợp nano bạc Sản phẩm có kích thước hạt từ 70 - 92 nm có khả năng ức chế

hiệu quả sự phát triển của hai loại vi khuẩn kháng kháng sinh S epidermidis và P.

Aeruginosa [55].

Năm 2017, Dola Sundeep và cộng sự của mình đã nghiên cứu về việc tổng

hợp nano bạc từ lá Xoài (tên khoa học là Mangifera indica) nhằm mục đích phục

hồi răng trong nha khoa cùng với các ứng dụng kháng khuẩn Các mẫu được mô tảbằng quang phổ X-ray diffraction (XRD), Particle Size Analyzer (PSA), ScanningElectron Microscope (SEM), Energy-dispersive X-ray analysis (EDS) và UV-Vis.Phổ XRD cho thấy kích thước trung bình của tinh thể trong việc tổng hợp nano bạc

là 32,4 nm đối với hệ tinh thể lập phương Để tăng cường độ cứng của răng trongviệc sử dụng chất trám răng Glass Ionomer Cement (GIC), hạt nano bạc đã tổng hợpđược cho vào GIC theo tỷ lệ trọng lượng là 2 % Ngoài ra, đề tài nghiên cứu cònđánh giá hoạt tính kháng khuẩn của nano bạc nhằm chống lại hoạt động của vi

khuẩn Escherichia coli và Staphylococcus aureus [56]

Năm 2018, trên tạp chí khoa học “Biological Macromolecules” Ying Shao và

cộng sự báo cáo việc tổng hợp xanh các hạt nano bạc-Alginate cùng với tính chấtkháng khuẩn của chúng Các tác giả đã sử dụng Sodium Alginate (Na-Alginate) vàacid ascorbic (Vc) để làm chất ổn định và chất khử Qua việc phân tích X-raydiffraction (XRD) và transmission electron microscopy (TEM) cho thấy sự tạothành các hạt nano hình cầu với đường kính tối đa 50 nm Bên cạnh đó, bài báo cáocòn cho thấy hoạt tính mạnh mẽ của nano bạc trong việc kháng vi khuẩn

Staphylococcus aureus và Escherichia coli vì chúng tác dụng trực tiếp lên màng tế

bào vi khuẩn và làm chết tế bào [57]

Năm 2012, các tác giả đã tổng hợp thành công vật liệu lọc Ag-Nano/carbonnanotubes/cotton được sử dụng trong hệ thống lọc nước nhằm xử lý nước nhiễmkhuẩn Kết quả nghiên cứu cho thấy hạt nano bạc có kích thước 5 - 6 nm, phân tántốt trên carbon nanotubes và cotton bằng phương pháp vật lý Nhờ tác dụng củadòng điện mà hệ thống lọc có khả năng diệt khuẩn hơn 95% trong một thời gianngắn [58]

Năm 2013, Huỳnh Thị Mỹ Linh đề ra phương án nghiên cứu tổng hợp nanobạc từ dung dịch AgNO3 bằng tác nhân khử dịch chiết nước lá bàng (tên khoa học là

Terminalia catappa) Trong bài nghiên cứu này, các điều kiện tối ưu để tổng hợp hạt

nano bao gồm nồng độ dung dịch AgNO3 là 1mM, môi trường tổng hợp tại pH = 7,nhiệt độ phản ứng 70oC, tỉ lệ thể tích dịch chiết/nồng độ AgNO3 1mM là 2 mL/30

mL Sản phẩm thu được các hạt nano bạc hình cầu với kích thước 9,25 - 26 nm[59]

Năm 2014, các tác giả báo cáo việc tổng hợp hạt nano bạc với tiền chất là

bạc nitrat và tác nhân khử là dịch chiết lá trà (tên khoa học là Camellia sinensis).

Họ khảo sát thành công hạt nano bạc có kích thước nhỏ, tương đối đều từ 5 - 10 nm.Sản phẩm tạo thành có thể bảo quản với thời gian hơn bốn tháng mà không bị hiện

tượng lắng đọng Ngoài ra, khả năng kháng hai dòng vi khuẩn E.coli và S.aureus rất

tốt trong thời gian tiếp xúc rất ngắn (3 phút) [60]

Năm 2016, Võ Thị Thu Sương đã tổng hợp nano bạc từ dịch chiết lá bồ ngót

(tên khoa học là Sauropus androgynous) ứng dụng trong việc giảm ô nhiễm môi

trường Các hạt nano tạo thành có khả năng làm xúc tác phân huỷ xanh methylenekhá tốt vì nồng độ xanh metylen giảm đáng kề sau khi được xúc tác dưới tác dụngcủa ánh sang mặt trời Kích thước các hạt nano thu được từ 13 - 33,4 nm [61]

Năm 2018, nhóm tác giả đã sử dụng tác nhân khử là đường glucose vàNaBH4 để tổng hợp nano bạc Họ khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tổnghợp nano bạc như nồng độ AgNO3, nồng độ dung dịch NH3, nồng độ và lượng tácnhân khử Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ phòng sau 7 giờ, kích thước hạt nanobạc thu được dao động trong khoảng từ 10 - 20 nm [62]

1.9 Điểm mới của đề tài

Việc ứng dụng các vật liệu kích thước nano là vấn đề được quan tâm trongcác

lĩnh vực khoa học và công nghệ Vật liệu nano mang lại những ứng dụng tuyệt vờitrong các lĩnh vực như xúc tác, y tế, xử lý môi trường,…Ngoài các phương pháptổng hợp nano bạc thuần túy, ngày nay đã có nhiều công trình nghiên cứu đưa cácvật liệu kim loại phân tán trên chất mang với đặc tính an toàn, tiết kiệm năng lượng

và thân thiện với môi trường Để tăng tính hiệu quả của quá trình tổng hợp và giảiquyết vấn đề kết tụ nhanh của các hạt nano bạc theo thời gian thì phương pháp tổnghợp nano trên vật liệu mang là polymer sinh học đã gây được sự chú ý đặc biệt đốivới các nhà nghiên cứu, thế nhưng hiện nay vẫn chưa có đề tài nghiên cứu tổng hợpnano bạc dựa trên việc ghép hai loại hệ mang với nhau là α-CD/Alginate

Phương pháp đi từ chiết xuất thực vật có tính nổi trội hơn so với cácphương pháp vật lý và hóa học truyền thống: quy trình công nghệ đơn giản, chi phíthấp, giảm thiểu được việc sử dụng các hóa chất độc hại Các công trình nghiên cứutrong và ngoài nước cho thấy trong thành phần của dịch chiết thực vật có tác nhânkhử và ổn định, đã có nhiều đề tài sử dụng các dịch chiết từ thực vật như cam, lôhội, chè vàng, lá trà, cây sầm, lá sen, lá đu đủ,… Vì những lý do trên, chúng tôichọn đề tài “Tổng hợp và ứng dụng nano bạc trên chất mang AlphaCyclodextrin/Alginate sử dụng dịch chiết củ ngưu bàng”

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ

THỰC NGHIỆM

2.1 Phương pháp nghiên cứu và phân tích cấu trúc

2.1.1 Tổng hợp nano bạc

Khảo sát các điều kiện tối ưu để tổng hợp nano bạc:

 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến quá trình tổng hợp nano bạc

 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình tổng hợp nano bạc

 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình tổng hợp nano bạc.Khảo sát khả năng xúc tác cho phản ứng khử các hợp chất ô nhiễm môitrường: 4-Nitrophenol, Methyl Orange, Rhodamine B

2.1.2 Phương pháp phổ UV-Vis

Phương pháp phổ UV-Vis (còn gọi là phương pháp quang phổ tử ngoại - khảkiến, phương pháp quang phổ hấp thụ, phương pháp đo quang) là phương pháp dựavào khả năng hấp thụ một cách chọn lọc các bức xạ rọi vào dung dịch của chất cầnnghiên cứu trong một dung môi nhất định [63]

Cơ sở của phương pháp này là quá trình tương tác giữa các bức xạ điện từđối với các phân tử vật chất Khi tương tác với các bức xạ điện từ thì các phân tử cócấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát xạ năng lượng khác nhau, dẫn đến kết quả của

sự hấp thụ và phát xạ năng lượng gọi là phổ và từ phổ ta có thể xác định ngược lạicấu trúc phân tử Ở điều kiện bình thường các electron trong phân tử ở trạng thái cơbản, khi có ánh sáng kích thích với tần số thích hợp thì các electron hấp thụ nănglượng và chuyển lên các trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn [63]

Ánh sáng vùng tử ngoại UV có bước sóng khoảng: 200 - 400 nm, ánh sángvùng khả kiến Vis có bước sóng khoảng: 396 - 760 nm Trong phương pháp hấp thụquang học UV-Vis người ta thường sử dụng bước sóng từ 200 - 800 nm [63].

Hiện tượng hấp thụ bức xạ điện từ tuân theo định luật Lam bert – Beer: Độhấp thụ A (mật độ quang A) của dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ C của dung dịchtheo biểu thức:

A = ε.l.CTrong đó: A là độ hấp thụ (mật độ quang)

ε là hệ số hấp thụ phân tử

l là chiều dày lớp dung dịch

Phổ UV-Vis đo mẫu nano bạc được đo tại Phòng Hóa nông - Viện Công nghệHóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Hình 2 1 Máy đo quang phổ UV-Vis JASCO V-630 spectrophotometer5

2.1.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR

Bức xạ hồng ngoại là vùng bức xạ nằm giữa vùng ánh sáng thấy được và visóng Phổ hồng ngoại được xem là phổ dao động quay bởi vì chuyển động quay vàchuyển động dao động đều bị kích thích khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại Trong

5 https://picclick.co.uk/Jasco-V-630-Uv-vis-Scanning-Spectrophotometer-202495145864.html

nghiên cứu cấu trúc hữu cơ thường sử dụng vùng phổ có số sóng từ 4000 – 400 cm

-1 Mỗi loại dao động trong phân tử hấp thụ ở một tần số xác định Phổ hồng ngoạigiúp xác định các loại dao động đặc trưng của các liên kết hay các nhóm chức cótrong phân tử [63]

Trong các thiết bị đo phổ hồng ngoại, phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier(FT-IR) là loại hiện đại và được sử dụng phổ biến nhất Phổ FT-IR đo mẫu nano bạcđược ghi trên máy quang phổ Bruker, TENSOR 27 FTIR (Đức) có bước sóng từ

4000 đến 500 cm-1 và độ phân giải 0,5 cm-1, đo tại Phòng Hóa nông - Viện Côngnghệ Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Hình 2 2 Máy quang phổ hồng ngoại FT-IR6

2.1.4 Kích thước hạt và điện thế zeta

Thế zeta là một công cụ quan trọng nhằm hiểu rõ trạng thái của bề mặt hạtnano và dự đoán sự ổn định lâu dài của hạt nano Thế zeta là một kỹ thuật xác địnhđiện tích bề mặt của hạt nano trong dung dịch (chất keo) Thế zeta được hình thànhtrên ranh giới giữa màng dung môi cực mỏng (lớp hấp phụ) trên bề mặt của hạtnano và toàn bộ phần chất lỏng còn lại của dung dịch Các giá trị của thế zetathường nằm trong khoảng +100 mV đến -100 mV

6 http://trends.medicalexpo.com/bruker-optik-gmbh/project-96471-414039.html

Kích thước hạt đóng một vai trò quan trọng trong tính chất của hạt nano.Kích thước hạt nano và sự phân bố kích thước hạt được xác định bằng nhiều dụng

cụ thương mại [64]

Mẫu nano bạc đã được đo bằng máy phân tích hạt nano Horiba SZ-100 tạiViện Khoa học Vật liệu ứng dụng

Hình 2 3 Máy đo kích thước hạt và thế zeta7

2.1.5 Phương pháp phân tích phổ EDX

Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) viết tắt

là EDX hoặc EDS Đây là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựatrên việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ, chủ yếu làchùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử Khi chùm điện tử cómức năng lượng cao chiếu vào vật rắn thì nó đâm xuyên vào nguyên tử vật rắn,tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử Tương tác này tạo ra các tia

X có bước sóng đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có trong vật rắn Việc ghinhận phổ tia X này cho ta các thông tin về các nguyên tố hóa học cùng với tỷ lệphần trăm của các nguyên tố có mặt trong mẫu [65]

7 https://www.retsch-technology.com/products/laser-light-scattering/sz-100/function-features/

Mẫu rắn nano bạc được đo bởi máy phân tích phổ tán xạ năng lượng tia XHoriba, EMAX ENERGY EX-400 tại Phòng thí nghiệm siêu cấu trúc - Viện Vệsinh dịch tễ Trung ương

Hình 2 4 Máy phân tích phổ EDX8

2.1.6 Phương pháp phân tích nhiệt TGA - DTA

Phân tích nhiệt bao gồm một nhóm các kỹ thuật phân tích như phân tíchnhiệt vi sai (DTA) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) mà tại đó các tích chất vật

lý cũng như hóa học của một chất được đo một cách liên tục như những hàm củanhiệt độ

Phân tích nhiệt vi sai DTA (Differential Thermal Analysis) là phương phápphân tích đo sự khác biệt về nhiệt độ giữa mẫu chuẩn (mẫu so sánh) và mẫu đo(mẫu nghiên cứu) theo nhiệt độ hoặc thời gian khi chúng được tiến hành gia nhiệthoặc làm lạnh đồng thời DTA được sử dụng để nghiên cứu tính chất nhiệt và sựchuyển pha Phương pháp này cho ta thông tin như phân biệt các nhiệt độ đặc trưng,nhiệt độ kết tinh và nóng chảy, độ ổn định nhiệt, độ tinh khiết,…[66]

Phân tích nhiệt trọng lượng TGA (Thermogravimetric Analysis) là phươngpháp phân tích theo dõi sự thay đổi khối lượng của mẫu theo nhiệt độ hoặc thời giankhi mẫu được gia nhiệt trong điều kiện cho trước Kỹ thuật này được sử dụng đểnghiên cứu khối lượng của mẫu bị mất đi từ các quá trình phân hủy, oxy hóa, bayhơi, Phương pháp này cho ta thông tin việc xác định thành phần khối lượng cácchất có mặt trong mẫu, sự ổn định nhiệt và oxy hóa, thành phần độ ẩm [67]

8 350-450-574/

http://www.horiba.com/scientific/products/x-ray-fluorescence-analysis/micro-xrf-analyzer/details/ex-250-Mẫu rắn nano bạc được đo bằng máy phân tích nhiệt Setaram, LabSys EvoS60/58988 được làm nóng từ nhiệt độ phòng đến 800oC với tốc độ gia nhiệt

10oC/phút tại Phòng Hóa vô cơ - Viện Hóa học -Viện Hàn lâm Khoa học và Côngnghệ Việt Nam

Hình 2 5 Máy phân tích nhiệt TGA-DTA9

2.1.7 Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao

(HRTEM)

Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao HRTEM (High ResolutionTransmission Electron Microscopy) là một công cụ quan trọng dùng để phân tíchcấu trúc tinh thể vật rắn Nguyên tắc cơ bản liên quan đến sự hình thành ảnh trong

cả hai kính hiển vi TEM (Transmission Electron Microscopy) và HRTEM là tương

tư nhau, tuy nhiên HRTEM cung cấp hình ảnh độ phân giải cao hơn nhiều ở cấp độnguyên tử HRTEM sử dụng cả chùm tia truyền thẳng góc và chùm tia tán xạ để tạo

ra hình ảnh giao thoa Nó là một hình ảnh tương phản pha và nhỏ như ô đơn vị củatinh thể Một cách chính xác thì HRTEM là một loại của TEM [68]

Mẫu dung dịch nano bạc đã được phân tích cấu trúc tinh thể của nguyên tửbằng kính hiển vi JEOL JEM2100, đo tại Viện Khoa học Vật liệu

9 http://vienhoahoc.ac.vn/Tin-tuc/Tiem-luc-trang-thiet-bi/27733/thiet-bi-phan-tich-nhiet-dta-dsctga

Hình 2 6 Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM)10

2.1.8 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM (Field Emission ScanningElectron Microscope) Đây là kính hiển vi hoạt động bằng cách sử dụng electronthay vì ánh sáng, những điện tử này được giải phóng bởi một nguồn phát xạ trường.Đối tượng được quét bởi các electron theo mô hình zig-zag FESEM giúp ta hìnhdung những chi tiết nhỏ trên bề mặt hoặc toàn bộ các phân tử có trong đối tượng.Các nhà nghiên cứu trong sinh học, hóa học và vật lý áp dụng kỹ thuật này để quansát các cấu trúc nhỏ cỡ 1 nm Các electron được giải phóng từ nguồn phát xạ trườngmạnh và độ chân không cao thì gọi là các electron chủ yếu Các electron này đượclàm lệch hướng bởi thấu kính điện tử nhằm tạo ra một chùm electron quét thu hẹp

để bắn lên đối tượng Kết quả, các electron thứ yếu được phát ra từ mỗi vùng trênđối tượng Một máy dò bắt các electron thứ yếu và tạo ra tín hiệu điện tử Tín hiệunày được khuếch đại và chuyển thành video quét hình ảnh có thể được nhìn thấytrên màn hình [69]

Mẫu nano bạc được đo tại Viện Công nghệ Hóa học, Viện Khoa học và Côngnghệ Việt Nam

10 https://www.jeol.co.jp/en/products/detail/JEM-2100.html

2.2 Thực nghiệm

2.2.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ

2.2.1.1 Hóa chất

 Sodium Alginate (C6H7O6Na)n: sản phẩm từ China

 Calcium Acetate Hydrate, 99%: sản phẩm từ Netherlands

 Silver Nitrate (AgNO3): sản phẩm từ Sigma

 Alpha Cyclodextrin Hydrate, 98+%: sản phẩm từ Hungary

 4-Nitrophenol, 99%: sản phẩm từ India

 Metyl Orange: sản phẩm từ India

 Rhodamine B, 98+%, pure: sản phẩm từ India

 Acetone công nghiệp

 Nước cất hai lần

 Củ ngưu bàng khô (Burdock Root): Sản phẩm của Công ty TNHH Sản xuất

và Dịch vụ thương mại Tân Hương Đức

2.2.1.2 Thiết bị

Các thiết bị được sử dụng trong quá trình tổng hợp bao gồm:

 Máy khuấy từ gia nhiệt (Heidolph, Magnetic stirrer)

 Cân phân tích điện tử (Electronic analysis balance)

 Bể rửa siêu âm (Ultrasonic Steri-Cleaner)

 Máy ly tâm (Biobase, Centrifuge Machine)

 Máy cô quay (Heidolph, LABOROTA 4000eco)

 Máy bơm chân không

2.2.2.1 Chuẩn bị hóa chất tiến hành thí nghiệm

 Pha dung dịch Sodium Alginate theo tỷ lệ 0,7g/100mL H2O

Cân 0,7 gam Sodium Alginate hòa tan vào 100 mL nước cất hai lần, khuấy từ ởnhiệt độ phòng với tốc độ 1200 vòng/phút trong 60 phút, rồi đem đi đánh siêu âmtrong vòng 30 phút

 Pha dung dịch Calcium Acetate Hydrate theo tỷ lệ 0,65g/100mL H2O

Cân 0,65 gam Calcium Acetate Hydrate hòa tan vào 100 mL nước cất hai lần,khuấy từ ở nhiệt độ phòng với tốc độ 1200 vòng/phút trong 60 phút, rồi đem điđánh siêu âm trong vòng 30 phút

 Pha dung dịch AgNO3 theo tỷ lệ 0,625g/20mL H2O

Cân 0,625 gam AgNO3 hòa tan vào 20 mL nước cất hai lần, khuấy từ ở nhiệt độphòng với tốc độ 1200 vòng/phút trong 60 phút, rồi đem đi đánh siêu âm trong vòng

30 phút

 Pha dung dịch Alpha Cyclodextrin theo tỷ lệ 0,16g/100mL H2O

Cân 0,16 gam Alpha Cyclodextrin hòa tan vào 100 mL nước cất hai lần, khuấy

từ ở nhiệt độ phòng với tốc độ 1200 vòng/phút trong 60 phút, rồi đem đi đánh siêu

âm trong vòng 30 phút

 Chuẩn bị dịch chiết củ ngưu bàng

Dịch chiết củ ngưu bàng được thực hiện theo sơ đồ quy trình sau:

 Thuyết minh quy trình:

Cân 10 gam củ ngưu bàng khô đã được xay nhỏ cho vào bình cầu thủy tinh

250 mL, hòa tan tiếp với 100 mL nước cất hai lần Sau đó tiến hành đun hồi lưutrong 2 giờ, gia nhiệt ở 100oC, hệ thống sinh hàn được làm lạnh liên tục, hỗn hợpsau khi đun được để nguội rồi lọc bằng giấy lọc thu được dịch chiết Dịch chiếtđược bảo quản trong tủ lạnh từ 4 - 10oC để sử dụng trong các thí nghiệm sau

Củ ngưu bàng

Xay nhỏMẫu nguyên liệu