Chế tạo đồng nano sử dụng chitosan làm chất ổn định và khảo sát hoạt tính kháng nấm

TÓM TẮT:

Trong nghiên cứu, đồng nano đã được tổng hợp bằng phương pháp sử dụng chitosan như là một chất ổn định và NaBH4 làm chất khử. Sự hình thành đồng nano được xác định bằng màu sắc đặc trưng, phổ UV-vis và giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Hình thái và kích thước hạt được đặc trưng bằng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Kết quả cho thấy nồng độ của chitosan có ảnh hưởng đến kích thước hạt của vật liệu. Các hạt đồng nano chế tạo trong dung dịch chitosan 2% có kích thước khoảng 3,5 nm. Vật liệu thu được thể hiện hoạt tính kháng nấm tốt – hiệu suất kháng nấm đạt được gần như 100% ở nồng độ khoảng 50 ppm.

Từ khóa: Đồng nano, chitosan, hạt nano kim loại, chất ổn định.

1. Mở đầu

Công nghệ nano là một trong những lĩnh vực khoa học giành được sự quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Các hạt kim loại nano sở hữu những tính chất đặc biệt so với vật liệu khối do hiệu ứng bề mặt gây ra bởi kích thước nhỏ của chúng [1]. Nghiên cứu tổng hợp các hạt nano kim loại với kích thước và hình dạng khác nhau, nhằm khám phá các tính chất cũng như khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như: điện tử, quang học [2], xúc tác [3, 4] và y sinh [2, 5] là rất cần thiết. Vật liệu nano của các kim loại quý như bạch kim, vàng và bạc thường được ứng dụng khá hiệu quả trong các lĩnh vực nêu trên. Tuy nhiên, do giá thành cao nên việc sản xuất chúng với số lượng lớn, để ứng dụng rộng rãi là kém khả thi. Nhằm giải quyết vấn đề đó, đồng nano được xem là lựa chọn tối ưu do giá thành rẻ, khả năng dẫn điện, nhiệt, quang học, hoạt tính xúc tác và kháng nấm tương đối tốt,… So với các vật liệu nano kim loại khác, việc tổng hợp đồng nano thường khó thu được hiệu suất cũng như độ tinh khiết cao vì bề mặt dễ bị oxi hóa, sản phẩm dễ lẫn CuO và Cu2O [5]. Vì vậy, chế tạo đồng nano với độ tinh khiết cao sẽ làm tiền đề cho việc ứng dụng trong điện tử, quang học, xúc tác, y sinh… như đã nêu trên.

Đến nay, đồng nano đã được chế tạo bằng nhiều giải pháp khác nhau, như : chiếu xạ chùm điện tử [ 6 ], khử hóa học [ 3, 7, 8 ], khử điện hóa, khử bằng sóng siêu âm, .. Trong đó, giải pháp khử hóa học thường được sử dụng khá thông dụng do hiệu suất cao và dễ thực thi. Tuy vậy, trở ngại của giải pháp này là lượng chất khử còn dư có rủi ro tiềm ẩn gây ô nhiễm thiên nhiên và môi trường. Để khắc phục hạn chế đó, nhiều khu công trình điều tra và nghiên cứu chế tạo đồng nano sử dụng chất khử thân thiện với môi trường tự nhiên đã được triển khai [ 5 ]. Những nghiên cứu và điều tra này đều hướng đến tiềm năng chung là tạo ra những hạt đồng nano có size nhỏ với độ không thay đổi cao để khai thác tối đa những ứng dụng của chúng .
Chitosan là một polymer sinh học, được chế tạo từ quy trình đề axetyl hóa chitin bằng kiềm đặc. Chitosan có ưu điểm điển hình nổi bật là phân hủy sinh học, không gây độc thiên nhiên và môi trường, có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxi hóa, … [ 3 ]. Những điều tra và nghiên cứu gần đây cho thấy, chitosan có năng lực không thay đổi kích cỡ hạt và hạn chế quy trình oxy hóa [ 5 ]. Tuy vậy, nghiên cứu và điều tra sử dụng chitosan làm chất không thay đổi trong chế tạo đồng nano vẫn còn ít được chăm sóc .
Trong điều tra và nghiên cứu này, đồng nano được chế tạo bằng giải pháp khá đơn thuần, sử dụng NaBH4 làm chất khử và chitosan như thể một chất không thay đổi. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến size hạt và hoạt tính kháng nấm của đồng nano cũng đã được khảo sát .

2. Thực nghiệm

2.1. Nguyên liệu, hóa chất

Các hóa chất CuSO4. 5H2 O, ascorbic acid, được sử dụng ở dạng tinh khiết nghiên cứu và phân tích. NaBH4 là mẫu sản phẩm tinh khiết của Merck, Đức. Chitosan nguyên vật liệu được cung ứng bởi Công ty Cổ phần Đầu tư và Công nghệ Hương Nam, Vũng Tàu. Nước cất 2 lần được sử dụng cho hàng loạt thí nghiệm .

2.2. Phương pháp

Hòa tan 0,25 gam CuSO4. 5H2 O bằng nước cất thu được 40 mL dung dịch CuSO4, thêm 100 mL acid acetic 0,1 M chứa 1 % chitosan theo khối lượng, khuấy hỗn hợp trên trong vòng 20 phút trên máy khuấy từ gia nhiệt. Cho 0,5 mL acid ascorbic 0,5 M vào hỗn hợp phản ứng, liên tục khuấy từ trong 20 phút. Nhỏ 0,5 mL NaBH4 0,4 M vào hỗn hợp, liên tục khuấy từ 5 phút, dung dịch chuyển sang màu đỏ nâu. Sau đó, khuấy từ 30 phút tiếp theo để phản ứng xảy ra trọn vẹn, thu được dung dịch đồng nano [ 3 ]. Dung dịch đồng nano được kiểm chứng bằng những chiêu thức nghiên cứu và phân tích như UV – Vis, XRD, TEM. Trong quy trình thí nghiệm, chitosan được biến hóa nồng độ, từ 0,5 % đến 5 %, để khảo sát ảnh hưởng tác động của nồng độ đến hình thái và size hạt. Mẫu đồng nano sau đó được pha loang với nồng độ khác nhau, từ 20 đến 100 ppm, để kiểm tra năng lực kháng nấm Aspergillus niger .

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Sự hình thành dung dịch keo đồng nano

Hình 1: Mẫu dung dịch trước phản ứng (a) và sau phản ứng (b)

Hình 1 biểu lộ sự đổi khác sắc tố của dung dịch phản ứng. Trước phản ứng, dung dịch có màu xanh dương, màu đặc trưng của ion Cu2 + ( Hình 1 a ). Sau phản ứng, dung dịch chuyển sang màu nâu đen, là màu đặc trưng của dung dịch đồng nano ( Hình 1 b ) [ 5 ]. Màu của dung dịch đồng nano trong điều tra và nghiên cứu của chúng tôi tương tự như với màu của Usman và tập sự thu được khi chế tạo đồng nano sử dụng chitosan làm chất không thay đổi [ 7 ] .

Hình 2: Phổ UV-vis của dung dịch trước phản ứng (a) và dung dịch sau phản ứng (b)

Sự hình thành đồng nano còn được bộc lộ bằng sự Open đỉnh hấp thụ trên phổ UV-vis, trong khoảng chừng bước sóng từ 500 – 600 nm [ 1, 8 ]. Hình 2 cho thấy, trước phản ứng chưa quan sát được đỉnh hấp thụ ở khoảng chừng bước sóng trên. Sau phản ứng, Open hấp thu cực lớn tại 576 nm – là bước sóng hấp thụ đặc trưng của đồng nano [ 3 ] .

Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ XRD của chitosan (a) và vật liệu Cu nano (b)

Giản đồ nhiễu xạ XRD của chitosan và vật tư đồng nano được bộc lộ lần lượt ở Hình 3 a và Hình 3 b. Hình 3 a cho thấy 2 đỉnh nhiễu xạ ở 2 θ = 9,26 ° và 2 θ = 19,82 °, đây là đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của chitosan [ 3, 5 ]. Đối với giản đồ nhiễu xạ của vật tư đồng nano, ngoài 2 đỉnh nhiễu xạ của chitosan còn quan sát được 3 đỉnh có cường độ nhiễu xạ tương đối cao, trọn vẹn trùng hợp với peak nhiễu xạ chuẩn của sắt kẽm kim loại đồng tại vị trí 2 θ = 43,35 ° ; 2 θ = 50,60 ° và 2 θ = 74,17 ° tương ứng với những mặt ( 111 ) ; ( 200 ) và ( 220 ) thuộc ô mạng Bravais trong cấu trúc lập phương tâm diện của sắt kẽm kim loại đồng [ 3, 8 ]. Như vậy, những dẫn chứng về sắc tố, phổ UV-Vis và giản đồ nhiễu xạ XRD ở trên cho thấy đã có sự hình thành những hạt đồng nano trong hệ phản ứng .

3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan

Hình 4: Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến màu sắc của dung dịch đồng nano

Hình 4 cho thấy sự đổi khác sắc tố của dung dịch đồng nano khi tăng nồng độ chitosan từ 0,5 % lên 5 %. Kết quả cho thấy, mẫu có nồng độ 0,5 % chitosan có màu vàng nâu, một phần đã bị keo tụ cho lớp cặn ở phần đáy. Điều này chứng tỏ nồng độ 0,5 % chitosan là chưa đủ để không thay đổi hệ keo đồng nano. Các mẫu còn lại có nồng độ chitosan cao hơn tương đối bền nhiệt động .

Hình 5: Phổ UV – Vis của dung dịch đồng nano khi thay đổi nồng độ chitosan

Phổ UV-vis của những mẫu đồng nano trong dung dịch khi biến hóa nồng độ chitosan được bộc lộ trên Hình 5. Có thể nhận thấy, khi tăng nồng độ chitosan, độ hấp thụ của dung dịch keo đồng nano tăng, đồng thời có sự vận động và di chuyển cực lớn hấp thụ về phía bước sóng ngắn. Điều này hoàn toàn có thể là do ở nồng độ cao của chitosan, quy trình không thay đổi hạt mầm diễn ra nhanh hơn đã hạn chế vận tốc của quy trình tăng trưởng mầm. Vì vậy, hạt thu được có kích cỡ tương đối nhỏ hơn, dẫn đến cực lớn hấp thụ lớn hơn, đồng thời có sự chuyển dời cực lớn hấp thụ về phía bước sóng ngắn hơn, gây ra do hiệu ứng plasmon khi giảm size hạt [ 9 ]. Cơ chế không thay đổi hạt nano, hạn chế năng lực keo tụ đã được 1 số ít tác giả đề cập. Theo đó, giả thiết về năng lực tạo link phối trí của đồng với nhóm amin của chitosan được nhiều tác giả thừa nhận [ 5 ]. Nhờ vào năng lực này, những hạt đồng nano sau khi hình thành được không thay đổi bởi những chuỗi phân tử chitosan có khối lượng phân tử lớn. Tương tác giữa những phân tử chitosan với nước giúp phân tán những hạt đồng nano [ 5 ], hạn chế được năng lực tăng trưởng hạt, vì thế ngăn ngừa được sự keo tụ của chúng .

Hình 6: Ảnh TEM và giản đồ phân bố kích thước hạt đồng nano trong dung dịch chitosan 0,5% (a); 1% (b); 2% (c) và 5% (d)

Ảnh TEM và giản đồ phân bổ size hạt của những mẫu đồng nano trong dung dịch chitosan có nồng độ khác nhau được bộc lộ ở Hình 6. Hình ảnh cho thấy, ở nồng độ chitosan thấp, những hạt thu được không đồng đều, size hạt tương đối lớn. Kích thước hạt của những mẫu đồng nano trong dung dịch chitosan 0,5 % và 1 % tương ứng lần lượt là 25 nm và 18 nm. Khi ngày càng tăng nồng độ chitosan lên 2 % và 5 %, size hạt thu được không độc lạ có ý nghĩa, những hạt thu được khá đồng đều, có phân phố lệch, hạt có size khoảng chừng 2 nm chiếm lợi thế, kích cỡ hạt trung bình thu được là 3,5 nm. Kết quả này cho thấy, chitosan 2 % hoàn toàn có thể là nồng độ tương thích để không thay đổi tốt dung dịch keo đồng nano .

3.3. Khả năng kháng nấm

Hình 7: Sự phát triển của nấm sau 3 ngày cấy trên đĩa petri đối với mẫu đối chứng (a); mẫu có chứa đồng nano nồng độ 20 ppm (b); 50 ppm (c) và 100 ppm (d)

Dung dịch đồng nano size hạt 3,5 nm có nồng độ khác nhau từ 20 đến 100 ppm đã được sử dụng để khảo sát năng lực kháng nấm Aspergillus niger. Hình 7 là hiệu quả thử nghiệm hoạt tính diệt nấm mốc Aspergillus niger với những nồng độ khác nhau của đồng nano. Sau 3 ngày nuôi cấy mẫu, hiệu quả cho thấy, so với mẫu đối chứng – không có đồng nano, nấm tăng trưởng mạnh ( Hình 7 a ). Đối với mẫu chứa đồng nano ở nồng độ 20 ppm, sự tăng trưởng của nấm mốc Aspergillus niger đã bị ức chế đáng kể, chỉ Open những mảng xám rất nhỏ ( Hình 7 b ). Đối với hai mẫu có nồng độ cao hơn của đồng nano không ghi nhận thấy sự tăng trưởng của nấm mốc. Như vậy, năng lực kháng nấm của đồng nano trong dung dịch chitosan 2 % là khá hiệu suất cao, nồng độ đồng nano càng cao thì hiệu suất cao kháng nấm càng tốt. Đồng nano ở nồng độ 50 ppm cho hiệu suất cao kháng nấm mốc gần như 100 % .

4. Kết luận

Đồng nano size hạt trung bình 3,5 nm đã được chế tạo bằng giải pháp khử hóa học, sử dụng chitosan làm chất không thay đổi. Nồng độ chitosan 2 % là tương thích để không thay đổi và ngăn ngừa sự keo tụ của hệ keo đồng nano. Dung dịch keo đồng nano với nồng độ khoảng chừng 50 ppm có hoạt tính kháng nấm rất hiệu suất cao, hiệu suất kháng nấm đạt được gần như 100 % n

Lời cảm ơn: Bài báo được hoàn thành nhờ sự hỗ trợ của đề tài cấp cơ sở, Trường Đại học Sài Gòn, mã số CS2018-06. Tập thể tác giả cũng xin tỏ lòng biết ơn PGS.TS. Nguyễn Quốc Hiến, Trung tâm VINAGAMMA đã góp ý cho bản thảo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. K. Tokarek, J. L. Hueso, P. Kustrowski, G. Stochel, A. Kyziol (2013). “Green Synthesis of Chitosan-Stabilized Copper Nanoparticles”, Eur. J. Inorg. Chem., 2013, 4940-4947.
2. A. A. Ponce, K. J. Klabunde (2005). “Chemical and catalytic activity of copper nanoparticles prepared via metal vapor synthesis”. J. Mol. Catal. A Chem., 225(1), 1-6.
3. M. S. Usman, M. E. E. Zowalaty, K. Shameli, N. Zainuddin, M. Salama, N. A. Ibrahim (2013). “Synthesis, characterization, and antimicrobial properties of copper nanoparticles”, Int. J. Nanomed., 8(1), 4467-4479.
4. M. Raffi, S. Mehrwan, T. M. Bhatti, J. I. Akhter, A. Hameed, W. Yawar, M. M. Hasan (2010). “Investigations into the antibacterial behavior of copper nanoparticles against Escherichia coli”, Ann. Microbiol., 60(1), 75-80.
5. A. Manikandan, M. Sathiyabama (2015). “Green Synthesis of Copper-Chitosan Nanoparticles and Study of its Antibacterial Activity”, J. Nanomed. Nanotechnol., 6(1), 100-0251.
6. F. Zhou, R. Zhou, X. Hao, X. Wu, W. Rao, Y. Chen, D. Gao (2008). “Influences of surfactant (PVA) concentration and pH on the preparation of copper nanoparticles by electron beam irradiation”, Rad. Phys. Chem., 77(2), 169-173.
7. M. S. Usman, N. A. Ibrahim, K. Shameli, N. Zainuddin, W. M. Z. W. Yunus (2012). “Copper nanoparticles mediated by chitosan: Synthesis and Characterization via chemical methods”, Molecules, 7(12), 14928-14936.
8. D. T. M. Dung, L. T. T. Tuyet, F. B. E. Fribourg-Blanc, D. M. Chien. (2011) “The influence of solvents and surfactants on the preparation of copper nanoparticles by a chemical reduction method”, Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol., 2(2), 025-004.
9. H. Huang, Q. Yuan, X. Yang (2004), “Preparation and characterization of metal – chitosan nanocomposites”, Colloids Surf. B Biointerfaces, 39(1-2), 31-37.

PREPARATION OF COPPER NANOPARTICLES USING CHITOSAN AS A STABILIZER AND STUDY OF ITS ANTIFUNGAL ACTIVITY

• Ph.D DANG XUAN DU

Faculty of Pedagogy in Natural Sciences, Sai Gon University

• NGUYEN VAN LOI

Sai Gon University

ABSTRACT:

Xem thêm: Cách Làm Đồ Chơi Vật Lý – Tự Làm Đồ Chơi Khoa Học Tại Nhà

In this study, copper nanoparticles were successfully fabricated from copper sulfate using chitosan as a stabilizer and NaBH4 as a reducing agent. The formation of copper nanoparticles was confirmed by characteristics of color, UV-vis and XRD methods. The morphology and particle size of the material were characterized by transmission electron microscopy ( TEM ). This study’s results showed that the concentration of chitosan affected the morphology and particle size of the material. The copper nanoparticles prepared with 2 % chitosan solution had an average size of 3,5 nm. The obtained material exhibited a good antifungal activity. The antifungal efficiency achieved almost 100 % at a concentration of about 50 ppm .

Keywords: Copper nanoparticles, chitosan, metalic nanoparticals, stabilizer.

Tạp chí Công Thương – Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ số 6 tháng 4/2020

Source: https://vh2.com.vn
Category custom BY HOANGLM with new data process: Chế Tạo