MỞ ĐẦU Vàng nano là một trong những vật liệu kích thước nano đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước bởi những tính chất quang học độc đáo của chúng, đặc biệt là hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR) [35], [39], [81], [93] và những ứng dụng to lớn của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như làm xúc tác [4], [19], [87], điện hóa [26], [45], [104, cảm biến sinh học [40], [93], khuếch đại tán xạ Raman bề mặt (surface enhanced Raman scattering, SERS) [32], đặc biệt là trong y học để chẩn đoán và điều trị ung thư [18], [39], [40], [126]. Cho đến nay, đã có nhiều phương pháp khác nhau được nghiên cứu để tổng hợp vàng nano như phương pháp chiếu xạ [1], [23], [65], [66], phương pháp khử hóa học [4], [12], [43], khử sinh học [13], [43], phương pháp điện hóa [63], [122], phương pháp quang hóa [70], phương pháp phát triển mầm [10], [17], [40], [115], [127],. Mỗi phương pháp đều tạo ra các hạt vàng nano với hình dạng, kích thước khác nhau như dạng cầu, dạng thanh, dạng sợi, hình tam giác, hình lăng trụ, hình tứ diện, hình lập phương,. Chẳng hạn, để tổng hợp ra vàng nano dạng cầu thì phương pháp phổ biến nhất là sử dụng tác nhân khử hóa học như NaBH4 hay natri citrate [63].
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là sử dụng các tác nhân độc hại, gây ảnh hưởng đối với môi trường. Gần đây, các nhà khoa học đã sử dụng "phương pháp xanh” (green method) [13], [37], [80], [92] để tổng hợp vàng nano dạng cầu với mục đích khắc phục hạn chế nói trên. Trong khi đó, để tổng hợp vàng nano dạng thanh thì phương pháp được cho là tối ưu nhất cho đến thời điểm hiện tại là phương pháp phát triển mầm [70], [93], [96]. Sản phẩm tạo thành từ phương pháp này có độ đơn phân tán, có thể kiểm soát được tỷ lệ dài/ngang (tỷ lệ cạnh) bằng cách thay đổi các yếu tố ảnh hưởng [70], [93], [96].
Nhiễm bẩn melamine trong sữa gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của trẻ em và là một vấn đề thu hút sự chú ý của đông đảo cộng đồng xã hội [12], [20], [22], [44]. Do đó, việc xác định melamine trong thực phẩm nói chung và trong sữa nói riêng là điều hết sức cần thiết. Cho đến nay, các phương pháp thường được sử dụng, đó là sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS) [41], sắc ký lỏng ghép nối khối phổ (LC/MS) [41], [95], sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) [85], ELISA [49], [95]. Nhìn chung, những phương pháp này có độ chính xác cao nhưng yêu cầu thiết bị đắt tiền, tốn nhiều thời gian và phải có chuyên viên thực hiện.
Gần đây, một số tác giả trên thế giới đã tìm ra phương pháp mới, sử dụng vàng nano để xác định melamine với ưu điểm rẽ, nhanh, đơn giản và độ nhạy cao [32], [33], [36]. Dựa vào sự thay đổi màu của dung dịch vàng nano khi có mặt melamine, có thể định tính melamine. Đồng thời, có thể định lượng hàm lượng melamine trong sữa dựa vào phép đo trắc quang. Các hạt vàng nano được tổng hợp từ các phương pháp khác nhau đã được sử dụng cho mục đích này.
Tuy nhiên, việc sử dụng vàng nano để xác định melamine vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Phương pháp von-ampe hòa tan là một phương pháp phân tích điện hóa hiện đại với nhiều ưu điểm như chi phí thấp, độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp, độ chọn lọc cao. Điện cực làm việc thường được sử dụng là điện cực thủy ngân với ưu điểm là có khả năng tạo hỗn hống được với nhiều kim loại đồng thời khoảng thế hoạt động về phía âm lớn. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là dễ tắc mao quản và độc tính cao.
Do vậy, xuất hiện ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu biến tính điện cực để khắc phục hạn chế này, trong đó điện cực biến tính vàng nano đang thu hút sự quan tâm đáng kể của nhiều nhà khoa học bởi những tính chất độc đáo của nó khi ở kích thước nano. Hiện nay, trên thế giới, các nhà khoa học đã chế tạo thành công điện cực biến tính vàng nano để xác định một số ion kim loại và hợp chất hữu cơ [45], [62], [98]. Trong đó, việc xác định axit uric trong các đối tượng sinh học đang nhận được sự quan tâm lớn bởi vì nồng độ axit uric trong mẫu huyết thanh, nước tiểu sẽ giúp cho chúng ta biết dấu hiệu của một số bệnh, đặc biệt là bệnh gout. Hiện nay, hiện tượng kháng thuốc của vi khuẩn đang trở nên ngày càng phổ biến.
Do vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu sử dụng các hạt nano kim loại với mục đích ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Đã có một số công bố tổng hợp vàng nano từ các dịch chiết quả nho, hoa hướng dương, trà,. và sử dụng vàng nano để ức chế vi khuẩn với nhiều khả quan [11], [13], [24], [52], [55]. Tuy nhiên, nghiên cứu kháng khuẩn của vàng nano cũng chưa được phát triển đầy đủ.
Mặc dù vàng nano đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề mới mẻ, hứa hẹn nhiều khám phá mới từ chúng. Trong xu thế đó, tại Việt Nam hiện nay cũng có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu tổng hợp vàng nano cũng như khảo sát các ứng dụng của chúng. Tuy nhiên, chưa có một công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống quá trình tổng hợp vàng nano cũng như các yếu tố ảnh hưởng. Do vậy, tiếp tục đi sâu nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các ứng dụng của chúng là rất cần thiết.
Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo vàng nano và một số ứng dụng”. Những điểm mới của luận án: Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu có hệ thống về tổng hợp và khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu vàng nano. Lần đầu tiên sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp vàng nano dạng cầu. Ngoài ra kết quả cũng thu được một vài điểm mới về khả năng xác định melamine trong sữa, biến tính điện cực với giới hạn phát hiện thấp cũng như khả năng kháng khuẩn tốt của vàng nano đặc biệt là vàng nano dạng thanh.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU Phần tổng quan giới thiệu chung về vật liệu vàng nano, chitosan, melamine, biến tính điện cực vàng nano và khả năng kháng khuẩn của vàng nano. NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2. MỤC TIÊU Tổng hợp vật liệu vàng nano dạng cầu, dạng thanh và một vài ứng dụng. NỘI DUNG - Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng cầu (GNP) bằng phương pháp khử sử dụng WSC làm chất khử đồng thời làm chất ổn định.
- Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng thanh (GNR) bằng phương pháp phát triển mầm sử dụng cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) làm chất bảo vệ. - Nghiên cứu sử dụng vàng nano để xác định melamine trong sữa. - Nghiên cứu chế tạo điện cực biến tính vàng nano để phân tích axit uric trong huyết thanh và nước tiểu. - Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano.
CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng các phương pháp: UV-Vis, UV-Vis/DR, XRD, TEM, FT-IR, EDX, đo độ nhớt. THỰC NGHIỆM Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng cầu bằng phương pháp khử sử dụng chitosan tan trong nước làm chất khử và ổn định. Nghiên cứu tổng hợp vàng nano dạng thanh bằng phương pháp phát triển mầm. Nghiên cứu sử dụng vàng nano để xác định melamine trong sữa.
Nghiên cứu biến tính điện cực vàng nano để xác định axit uric bằng phương pháp von-ampe hòa tan anot. Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của vàng nano. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3. TỔNG HỢP VÀNG NANO DẠNG CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ SỬ DỤNG CHITOSAN TAN TRONG NƯỚC LÀM CHẤT KHỬ VÀ CHẤT ỔN ĐỊNH 3.
Điều chế chitosan tan trong nước (WSC) Từ kết khả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng N-acetyl hóa và phản ứng với H2O2 ,chọn điều kiện thích hợp để điều chế WSC là: thời gian phản ứng N-acetyl hóa là 2 giờ và thời gian phản ứng với H2O2 là 3 giờ. Hình ảnh của chitosan và sản phẩm được trình bày trên hình 3. Tổng hợp vàng nano dạng cầu (GNP) 3. Các yếu tố ảnh hưởng a) Ảnh hưởng của thời gian khử Phổ UV-Vis hình 3.7 cho thấy, khi tăng thời gian khử thì cực đại hấp thụ tăng.7b cho thấy, cực đại hấp thụ tăng nhanh trong thời gian đầu của phản ứng, chậm hơn sau 8 giờ và sau 31 giờ hầu như không thay đổi.
Phổ UV-Vis (a) và giản đồ biểu diễn cực đại hấp thụ (b) của GNP theo thời gian khử Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt cho thấy, tại thời gian 31 giờ ,kích thước hạt lớn hơn so với tại 8 giờ nhưng không đáng kể đồng thời các hạt kém đồng đều hơn. Từ kết quả khảo sát, chúng tôi chọn thời gian khử là 8 giờ. b) Ảnh hưởng của nhiệt độ khử Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ khử đến độ ổn định của vàng nano được thực hiện ở 4 nhiệt độ là 65, 75, 85 và 95C. Kết quả thu được tại nhiệt độ 85C, sản phẩm có độ ổn định tốt nhất.
c) Ảnh hưởng nồng độ Au3+ Kết quả ảnh TEM hình 3.12 cho thấy, khi tăng nồng độ Au3+ kích thước hạt tăng nhưng độ đồng đều giảm. Ảnh TEM của GNP tại các nồng độ Au3+ khác nhau c) Ảnh hưởng nồng độ WSC Ngược với ảnh hưởng của Au3+, ảnh TEM hình 3.14 cho thấy, khi tăng nồng độ WSC, kích thước hạt giảm. Ảnh TEM của GNP tại các nồng độ WSC khác nhau d) Ảnh hưởng của khối lượng phân tử của WSC Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng phân tử WSC đến độ ổn định của GNP cho thấy, khi giảm khối lượng phân tử WSC thì GNP kém bền hơn. Tính chất, hình thái và cấu trúc của GNP Kết quả nghiên cứu cho thấy, sản phẩm thu được có dạng cầu với đường kính trung bình khoảng 8 nm, là tinh thể có cấu trúc lập phương tâm mặt.
Cơ chế hình thành vật liệu Từ các kết quả nghiên cứu và tham khảo tài liệu, chúng tôi đưa ra cơ chế hình thành GNP theo phản ứng 3. Cơ chế hình thành GNP 3. Nghiên cứu động học của phản ứng khử Au3+ bằng WSC Động học phản ứng được nghiên cứu bằng phương pháp nồng độ đầu. Kết quả cho thấy phương pháp nồng độ đầu cho kết quả rất lặp lại và thuận lợi cho việc nghiên cứu động học.
Phương trình động học của phản ứng khử Au3+ bằng WSC là: r = k.