Nghiên cứu chế tạo nano bạc từ dịch chiết thực vật nhằm phát hiện lượng vết ion Fe3+

Luận văn nghiên cứu chế tạo nano bạc từ dịch chiết thực vật phát hiện ion Fe3+ - ĐH Khoa học Thái Nguyên

• Tác giả: Nguyễn Thị Vân
• Người hướng dẫn: TS. Khiếu Thị Tâm
• Trường học: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo nano bạc từ dịch chiết thực vật nhằm phát hiện lượng vết ion Fe3+
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sắt là nguyên tố vi lượng dồi dào thứ tư trong vỏ Trái Đất và đóng vai trò sinh học thiết yếu trong cấu trúc hemoglobin nhằm vận chuyển oxy và tham gia các chu trình chuyển hóa enzyme. Trong môi trường nước tự nhiên, sắt tồn tại chủ yếu ở hai trạng thái oxy hóa là Fe2+ và Fe3+. Sự mất cân bằng nồng độ ion Fe3+ có thể gây tổn thương nghiêm trọng đến hệ thống nội tạng con người hoặc hủy hoại cân bằng sinh thái thủy vực. Tổ chức Y tế Thế giới và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT tại Việt Nam quy định hàm lượng tổng sắt không được vượt quá ngưỡng 0,3 mg/L đến 0,5 mg/L.

Các kỹ thuật phân tích hiện đại như quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS hay khối phổ plasma cảm ứng ICP-MS đòi hỏi chi phí vận hành cao, thiết bị cồng kềnh và quy trình chuẩn bị mẫu phức tạp, gây trở ngại cho việc quan trắc nhanh tại hiện trường. Nhằm giải quyết thách thức này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa phân tích thực hiện đề tài nghiên cứu chế tạo hạt nano bạc sinh học AgNPs từ dịch chiết thực vật thân cây Trầu rừng làm cảm biến so màu phát hiện lượng vết ion Fe3+.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong giai đoạn năm 2022 đến năm 2023 tại Đại học Thái Nguyên, sử dụng nguồn nguyên liệu thân cây Trầu rừng thu hái tại huyện Mai Châu, tỉnh Sơn La. Mục tiêu trọng tâm là tối ưu hóa quy trình tổng hợp xanh ở nhiệt độ 60 °C trong thời gian 30 phút, tạo ra vật liệu nano bạc có độ phân tán cao, kích thước dưới 20 nm, phục vụ nhận biết nhanh lượng vết Fe3+ trong dải nồng độ micromol với chi phí hóa chất giảm hơn 70% so với phương pháp khử hóa học truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng nền tảng hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt SPR kết hợp định luật quang phổ Bouguer – Lambert – Beer để phân tích hành vi quang học của vật liệu nano kim loại. Khi chùm sáng kích thích chiếu qua huyền phù keo nano bạc, các electron dẫn tự do trên bề mặt hạt dao động tập thể, tạo ra dải hấp thụ cực đại đặc trưng trong vùng bước sóng 400 nm đến 450 nm. Cường độ và vị trí đỉnh SPR tỷ lệ thuận với kích thước, hình thái và trạng thái phân tán của các hạt nano trong dung dịch.

Bên cạnh đó, mô hình tổng hợp xanh dựa trên cơ chế khử sinh học của các hợp chất thứ cấp từ dịch chiết thực vật. Trong thân cây Trầu rừng chứa hàm lượng phong phú các nhóm hoạt chất tự nhiên như piperine, polyphenol, flavonoid và steroid. Các phân tử này vừa đóng vai trò là tác nhân khử ion Ag+ thành Ag0, vừa hoạt động như lớp màng bọc tĩnh điện và không gian bao quanh bề mặt hạt, ngăn chặn hiện tượng keo tụ mà không cần bổ sung các chất hoạt động bề mặt tổng hợp.

Bốn khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa trong luận văn bao gồm: hạt nano bạc AgNPs với kích thước quy ước từ 1 đến 100 nm; cảm biến so màu hoạt động dựa trên sự biến đổi màu sắc và phổ hấp thụ khi tương tác với chất phân tích; giới hạn phát hiện LOD biểu thị nồng độ tối thiểu của ion kim loại tạo ra tín hiệu tin cậy; và giới hạn định lượng LOQ xác định ngưỡng nồng độ thấp nhất có thể định lượng với độ lặp lại cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng 100 g mẫu bột thân cây Trầu rừng khô đã xử lý nhiệt tại 50 °C, tiến hành chiết siêu âm với 1 L nước deion trong thời gian 120 phút để thu dịch chiết chứa hoạt chất khử. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm được chuẩn hóa qua khảo sát nồng độ tiền chất bạc nitrat AgNO3 từ 1,00 mM đến 1,75 mM, cố định tỷ lệ thể tích giữa dịch chiết và dung dịch AgNO3 là 1:10 (tương ứng 20 mL dịch chiết trong 200 mL dung dịch muối), điều chỉnh môi trường kiềm ở pH 12 bằng dung dịch NaOH 1 M tại nhiệt độ phản ứng 60 °C trong 30 phút. Hỗn hợp sau phản ứng được ly tâm ở tốc độ 13000 vòng/phút trong 10 phút để thu hồi hạt nano tinh khiết.

Hệ thống thiết bị phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm kiểm chứng toàn diện các đặc tính hóa lý: quang phổ kế UV-Vis UH5300 Hitachi ghi nhận sự hình thành dải SPR trong dải sóng 200 nm đến 800 nm; hệ nhiễu xạ tia X D2-Phaser Bruker sử dụng bức xạ Cu-Kα với bước sóng 0,154056 nm quét góc 2θ từ 20° đến 80° để xác định cấu trúc tinh thể; quang phổ hồng ngoại FTIR Perkin Elmer Spectrum Two và quang phổ Raman Horiba XploRa khảo sát liên kết bề mặt trong khoảng 200 cm-1 đến 4000 cm-1; kính hiển vi điện tử quét SEM Regulus 8100 và kính hiển vi điện tử truyền qua HR-TEM ghi nhận trực tiếp hình thái và phân bố kích thước hạt nano.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tổng hợp xanh đã tạo ra vật liệu nano bạc có dải hấp thụ cộng hưởng plasmon bề mặt đơn đỉnh duy nhất tại bước sóng 406 nm, minh chứng cho cấu trúc hạt dạng hình cầu đồng nhất. Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua HR-TEM xác nhận kích thước hạt dao động trong khoảng từ 4 nm đến 17 nm. Giản đồ nhiễu xạ tia X XRD xuất hiện 4 đỉnh đặc trưng tại các góc 2θ tương ứng 38,45°; 43,67°; 64,04° và 77,51°, khớp chính xác với các mặt mạng tinh thể lập phương tâm diện FCC (111), (200), (220) và (311), cho kích thước tinh thể trung bình tính theo công thức Debye-Scherrer đạt 10,56 nm.

Khảo sát tối ưu hóa nồng độ tiền chất cho thấy tại mức AgNO3 1,25 mM, hiệu suất hình thành nano bạc đạt giá trị cực đại với cường độ hấp thụ quang tăng hơn 25% so với mức 1,00 mM. Khi tiếp tục tăng nồng độ lên 1,75 mM, cường độ hấp thụ suy giảm rõ rệt và bước sóng cực đại dịch chuyển về phía 414 nm do sự kết tụ giữa các hạt có kích thước lớn.

Khả năng nhận biết chọn lọc ion Fe3+ của vật liệu AgNPs được kiểm chứng khi so sánh với 8 ion kim loại khác bao gồm As5+, Cd2+, Cr3+, Cu2+, Mg2+, Mn2+, Pb2+ và Zn2+ ở cùng nồng độ 10^-4 M. Chỉ duy nhất dung dịch chứa ion Fe3+ làm dung dịch nano bạc chuyển màu nhanh chóng từ nâu đậm sang vàng nhạt và làm suy giảm hoàn toàn đỉnh hấp thụ tại 406 nm, trong khi các ion kim loại còn lại không gây ra biến đổi quang phổ đáng kể với độ biến động dưới 5%.

Độ nhạy của cảm biến được xác lập trong dải nồng độ Fe3+ từ 1,0 µM đến 200 µM. Sự thay đổi màu sắc của dung dịch có thể quan sát rõ bằng mắt thường bắt đầu từ nồng độ 60 µM. Giới hạn phát hiện LOD và định lượng LOQ của phương pháp đạt độ nhạy cao. Đồng thời, dung dịch AgNPs lưu trữ trong bình tối màu duy trì độ bền quang học ổn định sau thời gian 30 ngày bảo quản với phổ UV-Vis không đổi.

Thảo luận kết quả

Cơ chế đổi màu chọn lọc của AgNPs đối với ion Fe3+ bắt nguồn từ tương tác phối trí mạnh giữa ion Fe3+ với các nhóm chức giàu electron trên lớp vỏ sinh học của hạt nano bạc. Dữ liệu phổ FTIR và Raman chỉ ra sự dịch chuyển của liên kết C=C liên hợp C=O từ số sóng 1645 cm-1 về 1626 cm-1 và sự suy giảm cường độ của các liên kết Ag-N tại 875 cm-1. Hiện tượng này thúc đẩy phản ứng oxy hóa khử nội phân tử, trong đó Fe3+ bị khử thành Fe2+, đồng thời các nguyên tử Ag0 trên bề mặt bị oxy hóa thành Ag+, dẫn đến sự phá vỡ cấu trúc plasmon bề mặt và làm dung dịch mất màu nâu nguyên bản.

Khi so sánh với các nghiên cứu tổng hợp nano bạc từ lá neem, quả dứa hay nấm linh chi Ganoderma lucidum có giới hạn phát hiện Fe3+ khoảng 1,8 µM, vật liệu AgNPs từ thân cây Trầu rừng thể hiện ưu thế vượt trội về tốc độ phản ứng tức thì và quy trình điều chế không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được trình bày chi tiết thông qua hệ thống đồ thị suy giảm độ hấp thụ quang phổ UV-Vis theo từng bước tăng nồng độ Fe3+, kết hợp bảng biểu thống kê kích thước tinh thể từng mặt mạng và biểu đồ đường chuẩn tuyến tính hồi quy thể hiện mối tương quan chặt chẽ giữa độ hấp thụ và nồng độ chất phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình tổng hợp nano bạc sinh học ở quy mô bán công nghiệp nhằm chế tạo các bộ kít thử nghiệm nhanh phát hiện sắt tại hiện trường. Đặt mục tiêu rút ngắn thời gian phân tích mẫu xuống dưới 3 phút với độ sai lệch kết quả dưới 5%, triển khai thử nghiệm diện rộng trên 500 mẫu nước sinh hoạt nông thôn trong vòng 12 tháng bởi Viện Hóa học và các Trung tâm Phân tích Kiểm chuẩn.

Thứ hai, mở rộng vùng nguyên liệu trồng và thu hái thân cây Trầu rừng đạt tiêu chuẩn dược liệu sạch tại tỉnh Sơn La và khu vực Tây Bắc. Thiết lập quy chuẩn kiểm soát hàm lượng hoạt chất piperine trong cao chiết đạt ngưỡng trên 80% với độ ẩm nguyên liệu dưới 10%, hoàn thành trong lộ trình 18 tháng dưới sự chủ trì của Sở Khoa học và Công nghệ địa phương phối hợp cùng các hợp tác xã nông nghiệp.

Thứ ba, tích hợp hệ cảm biến so màu nano bạc vào các trạm quan trắc tự động của mạng lưới cấp nước đô thị. Giải pháp hướng tới giám sát liên tục nồng độ Fe3+ đảm bảo không vượt quá tiêu chuẩn 0,3 mg/L theo QCVN 02:2009/BYT, duy trì độ ổn định thiết bị trong 24 tháng vận hành liên tục tại các nhà máy xử lý nước sạch.

Thứ tư, phát triển phần mềm nhận diện màu sắc kỹ thuật số trên điện thoại thông minh kết hợp thuật toán phân tích không gian màu RGB từ ảnh chụp dung dịch AgNPs. Ứng dụng giúp người dân tự kiểm tra chất lượng nguồn nước tại hộ gia đình trong vòng 30 giây với ngưỡng nhận biết ion sắt từ 5 µM, dự kiến thử nghiệm phiên bản ứng dụng trong giai đoạn 6 tháng bởi nhóm kỹ sư công nghệ phối hợp nhóm nghiên cứu hóa học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học thuộc chuyên ngành Hóa phân tích, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Nano: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình thực nghiệm tổng hợp xanh, cơ chế tương tác bề mặt giữa hợp chất tự nhiên piperine với kim loại bạc, cùng hệ thống dữ liệu phổ XRD, FTIR, Raman, SEM và TEM chuẩn mực.

Kỹ sư môi trường, cán bộ kiểm định chất lượng nước tại các trung tâm y tế dự phòng và công ty cấp thoát nước: Tài liệu cung cấp giải pháp so màu tại chỗ đơn giản, tiết kiệm chi phí để sàng lọc nhanh lượng vết sắt trong nước sinh hoạt và nước ngầm theo quy chuẩn QCVN 02:2009/BYT mà không phụ thuộc vào thiết bị phân tích đắt tiền.

Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu y sinh, hóa chất xét nghiệm và thiết bị cảm biến môi trường: Nguồn tư liệu giá trị để thương mại hóa các que thử so màu hoặc kít thử nhanh kim loại nặng, khai thác nguồn nguyên liệu thực vật tự nhiên tại Việt Nam với giá thành sản xuất cạnh tranh.

Sinh viên các ngành Công nghệ Sinh học, Hóa Dược và Quản lý Môi trường: Bản hướng dẫn thực tế về phương pháp thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa thông số phản ứng, kỹ thuật xử lý số liệu trên phần mềm Origin và xây dựng cấu trúc luận văn thạc sĩ theo quy chuẩn học thuật quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp tổng hợp nano bạc từ thân cây Trầu rừng có điểm gì vượt trội so với phương pháp hóa học? Phương pháp tổng hợp xanh từ thân cây Trầu rừng hoàn toàn không sử dụng chất khử độc hại như NaBH4 hay chất ổn định nhân tạo. Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ 60 °C, pH 12 trong 30 phút, tận dụng nguồn dược liệu sẵn có, giúp giảm 60% chi phí hóa chất và tạo ra hạt nano dạng cầu có kích thước từ 4 nm đến 17 nm an toàn cho môi trường.

Cơ chế nào giúp hạt nano bạc nhận biết chọn lọc ion Fe3+ so với các ion kim loại khác? Lớp vỏ sinh học bao quanh hạt nano bạc chứa các nhóm chức cho electron tự do như C=C liên hợp C=O và C-N. Khi gặp ion Fe3+, tương tác phối trí mạnh kích hoạt phản ứng oxy hóa khử giữa Fe3+ và Ag0, khiến hạt nano mất trạng thái plasmon và mất màu nâu đậm. Trong khi đó, các ion kim loại khác ở nồng độ 10^-4 M không tham gia phản ứng này.

Nồng độ ion Fe3+ tối thiểu có thể nhận biết bằng mắt thường và thiết bị đo quang là bao nhiêu? Người phân tích có thể quan sát trực tiếp sự nhạt màu của dung dịch nano bạc bằng mắt thường khi nồng độ Fe3+ đạt từ 60 µM trở lên. Khi sử dụng thiết bị đo quang phổ UV-Vis tại bước sóng 406 nm, dải đo tuyến tính được mở rộng từ 1,0 µM đến 200 µM, cho phép định lượng chính xác lượng vết sắt trong nước sinh hoạt theo tiêu chuẩn y tế.

Độ bền của dung dịch nano bạc sau khi điều chế duy trì được trong khoảng thời gian bao lâu? Dung dịch nano bạc tổng hợp từ dịch chiết Trầu rừng được bảo quản trong bình thủy tinh màu nâu ở điều kiện nhiệt độ phòng. Kết quả phân tích quang phổ UV-Vis sau 30 ngày lưu trữ cho thấy vị trí dải hấp thụ SPR tại 406 nm và cường độ quang phổ không bị thay đổi, chứng minh lớp màng bọc hữu cơ tự nhiên có khả năng chống keo tụ rất cao.

Quy trình chuẩn bị mẫu nước sinh hoạt thực tế trước khi phân tích với nano bạc gồm những bước nào? Mẫu nước sinh hoạt được lấy tại vòi cấp, sau đó lọc qua giấy lọc chuyên dụng để loại bỏ hoàn toàn các cặn lơ lửng và tạp chất cơ học. Tiếp theo, nhỏ chính xác 0,5 mL mẫu nước đã lọc vào 3,0 mL dung dịch AgNPs pha loãng, lắc đều và giữ ổn định trong 5 phút trước khi tiến hành quan sát màu hoặc đo độ hấp thụ quang phổ.

Kết luận

• Chế tạo thành công hạt nano bạc AgNPs dạng hình cầu có kích thước từ 4 nm đến 17 nm bằng phương pháp sinh học sử dụng dịch chiết thân cây Trầu rừng tại nhiệt độ 60 °C, pH 12 và nồng độ AgNO3 1,25 mM.
• Xác lập cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện FCC của vật liệu với kích thước tinh thể trung bình 10,56 nm qua giản đồ XRD và dải hấp thụ quang học SPR đặc trưng tại bước sóng 406 nm.
• Phát triển thành công cảm biến so màu có độ chọn lọc tuyệt đối với ion Fe3+ trong dải nồng độ từ 1,0 µM đến 200 µM, không bị can thiệp bởi 8 ion kim loại phổ biến khác.
• Kiểm chứng khả năng ứng dụng thực tế trên mẫu nước sinh hoạt với ngưỡng phát hiện bằng mắt thường từ 60 µM và độ ổn định dung dịch kéo dài trên 30 ngày bảo quản.
• Cung cấp giải pháp phân tích xanh, kinh tế và thân thiện với môi trường, định hướng hoàn thiện bộ kít quan trắc chất lượng nước sinh hoạt trong giai đoạn năm 2024 đến năm 2026.

Kết quả nghiên cứu của luận văn khẳng định tiềm năng to lớn của nguồn dược liệu thực vật Việt Nam trong lĩnh vực công nghệ nano phân tích. Các viện nghiên cứu, trường đại học và cơ quan quản lý môi trường cần tiếp tục phối hợp mở rộng thử nghiệm thực địa, hoàn thiện quy trình chuyển giao công nghệ cảm biến nano phục vụ công tác bảo vệ sức khỏe cộng đồng và an ninh nguồn nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Sắt là một trong những kim loại được tìm thấy nhiều nhất trong môi trường và trong tất cả các sinh vật sống. Sắt đóng một vai trò quan trọng như một phần của hemoglobin trong quá trình lưu trữ và vận chuyển oxy, điện tử, các phản ứng enzyme, hô hấp ti thể, protein và tổng hợp DNA. Trong các điều kiện sinh lý, sắt tồn tại chủ yếu ở 2 trạng thái oxy hoá là Fe2+ và Fe3+. Nếu cơ thể thừa hoặc thiếu sắt đều gây các vấn đề không tốt cho sức khoẻ.

Do đó, việc xác định Fe3+ trong nhiều mẫu là cần thiết. Nhiều phương pháp khác nhau như phổ hấp thụ nguyên tử, phổ khối plasma kết hợp cảm ứng và phép đo phổ phát xạ nguyên tử, huỳnh quang và sắc ký ion đã được sử dụng rộng rãi để phát hiện các ion Fe3+. Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi thiết bị đắt tiền và hoạt động phức tạp, điều này hạn chế ứng dụng của chúng để phân tích nhanh và phân tích tại hiện trường. Để khắc phục những nhược điểm này, các cảm biến màu dựa trên vật liệu nano sinh học đã được phát triển để phát hiện Fe3+ và ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm.

Ngày nay, công nghệ nano đặc biệt nano kim loại ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong đó nano bạc là một trong những nano kim loại được nghiên cứu nhiều. Các hạt nano bạc (AgNPs) có các đặc tính quang học, điện tử, từ tính, hóa học cũng như hoạt tính sinh học và độc tính thấp nên được ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến [1]. Các hạt nano bạc được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp vật lý, hóa học và sinh học. Trong đó, tổng hợp AgNPs bằng phương pháp sinh học có nhiều ưu điểm như đơn giản, dễ thực hiện, không độc và giá thành rẻ.

Hơn nữa, AgNPs có khả năng phát hiện ion kim loại như Hg2+, Pb2+, Cd2+, Fe3+ có độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp và dễ dàng quan sát bằng mắt thường. Chính vì vậy, việc “Nghiên cứu chế tạo nano bạc từ dịch chiết thực vật nhằm phát hiện lượng vết ion Fe3+” là đề tài cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu của đề tài không chỉ tìm kiếm và phát triển vật liệu mới an toàn, kinh tế mà còn khai thác các loài thực vật ứng dụng trong lĩnh vực môi trường. Mục tiêu của đề tài: Chế tạo thành công vật liệu nano bạc từ dịch chiết thực vật (thân cây Trầu rừng) một cách đơn giản, nhanh chóng và thân thiện với môi trường.

Ứng dụng vật liệu nano bạc để nhận biết màu phát hiện lượng vết ion Fe3+. 2 Nội dung nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu nano bạc từ dịch chiết thân cây Trầu rừng bao gồm điều chế dịch chiết, chế tạo nano bạc từ dịch chiết thân cây Trầu rừng. Phát hiện lượng vết ion Fe3+ bằng vật liệu AgNPs chế tạo được sử dụng phương pháp đo quang và nhận biết sự thay đổi màu sắc của dung dịch. Tổng quan về nano bạc 1.

Giới thiệu chung về nano bạc Công nghệ nano là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu hiện đại, liên quan đến thiết kế, tổng hợp các hạt có kích thước từ 1-100 nm. Các hạt nano có hình dạng, kích thước và cấu trúc khác nhau. Chúng thường có hình cầu, hình trụ, hình ống, hình nón, lõi rỗng, xoắn ốc, phẳng hoặc không đều [2]. Một số hạt nano là tinh thể hoặc vô định hình với chất rắn đơn hoặc đa tinh thể lỏng hoặc kết tụ [2].