TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG
BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO
VÀNG – CHITOSAN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM
HUỲNH THỊ CẨM QUYÊN
Bieân Hoøa – 11/2012
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG
Con xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến Cô PGS. TS Nguyễn Thị Phương Phong
bộ môn Hoá Lý – Khoa Hoá – ĐH Khoa Học Tự Nhiên, người thầy đã tận tình
hướng dẫn và tạo mọi điều kiện để em có thể vượt qua khó khăn trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
Cám ơn Th.S Võ Quốc Khương, chị Nguyễn Trần Tường Vy, tập thể các bạn
trong nhóm Nano đã giúp đỡ và hỗ trợ hoàn thành khóa luận.
ii
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 2
1.1. Tổng quan về kim loại vàng (Au) 2
1.1.1. Tổng quát 2
1.1.2. Tính chất vật lý của vàng 2
1.1.3. Tính chất hóa học 2
1.1.4. Ứng dụng của vàng 3
1.2. Tổng quan về chitosan 5
1.2.1. Cấu trúc của chitosan 5
1.2.2. Tính chất của chitosan 6
1.2.3. Ứng dụng của chitosan 7
1.3. Tổng quan về nano vàng 8
1.3.1. Hạt nano kim loại 8
1.3.2. Tính chất của hạt nano kim loại 8
1.3.2.1. Tính chất quang 8
1.3.2.3. Tính chất điện 9
1.3.2.4. Tính chất từ 10
1.3.3. Hạt nano vàng 10
2.2.3. Các phương pháp phân tích hạt nano vàng và màng nano vàng 37
2.2.3.1. Phương pháp đo phổ hấp thụ bằng máy quang phổ UV-Vis 37
2.2.3.2. Phương pháp chụp ảnh TEM 39
2.2.3.3. Khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng 40
2.2.4. Phương pháp tạo nền kem. 42
2.2.5. Các phương pháp phân tích mẫu kem nền và kem nano vàng – chitosan.
43
2.2.5.1. Phương pháp đo độ lún kim. 43
2.2.5.2. Phương pháp kiểm tra độ độc hại (độ kích ứng da). 43
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45
3.1. Phân tích nguyên liệu chitosan bằng phương pháp FT-IR, FE-SEM, GPC. 45
3.1.1. Kết quả phân tích FT-IR 45
3.1.2. Kết quả phân tích GPC 46
3.1.3. Kết quả phân tích FE-SEM 46
3.2. Chế tạo các hạt nano vàng trong chitosan 47
3.3. Kết quả TEM 55
3.4. Kết quả XRD 60
3.5. Khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng 61
3.6. Tạo nền kem và kem nano vàng – chitosan. 62
3.6.1. Độ lún kim. 62
3.6.2. Kết quả kiểm tra kích ứng da 62
3.6.3. Kiểm tra nồng độ vàng trong kem. 64
v
CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66
4.1. Kết luận 66
4.2. Đề nghị 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
Hình 2.2: Máy đo phổ FT- IR BRUKER EQUINOX 55. 34
Hình 2.3: Máy sắc ký thẩm thấu gel GPC AGILENT 1100 Series. 35
vii
Hình 2.4: Máy FE-SEM JSM 740F, Nhật. 35
Hình 2.5: Qui trình chế tạo hạt nano vàng trong chitosan có vitamin C làm chất
khử. 36
Hình 2.6: (a) Mẫu chứa dung dịch chitosan – vitamin C – HAuCl
4
, (b) Mẫu chứa
dung dịch nano vàng trong chitosan 36
Hình 2.7: Sơ đồ quang phổ kế hai chùm tia. 37
Hình 2.8: Máy quang phổ UV-Vis-NIR-V670, JASCO. 38
Hình 2.9: Máy TEM, JEM-1400, Nhật. 39
Hình 2.10: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua. 40
Hình 2.11: Sơ đồ tạo nền kem. 42
Hình 2.12: Phương pháp đo độ lún kim 43
Hình 3.1: Phổ FT-IR của chitosan nguyên liệu. 45
Hình 3.2: Công thức cấu tạo của chitosan. 46
Hình 3.3: Kết quả phân tích FE-SEM chitosan. 46
Hình 3.4: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của thời gian 48
Hình 3.6: Các mẫu dung dịch nano vàng – chitosan khi thay đổi tỷ lệ
nHAuCl
4
/nvitamin C. 50
Hình 3.7: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát ảnh hưởng
nHAuCl
4
/nvitamin C. 51
Hình 3.8: Mẫu khảo sát ảnh hưởng của pH. 52
Hình 3.9: Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch keo nano vàng khảo sát ảnh hưởng
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh kích thước của hạt nano Au dùng các chất khử khác nhau để tổng
hợp, tất cả được tính ở nano mét. 14
Bảng 2.1: Hóa chất dùng trong nghiên cứu chế tạo nano vàng - chitosan 31
Bảng 2.2: Hóa chất dùng trong nghiên cứu chế tạo nền kem. 32
Bảng 3.1: Kết quả khảo sát theo thời gian 49
Bảng 3.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ nHAuCl
4
/nvitamin C. 51
Bảng 3.3: Khảo sát ảnh hưởng của pH trong quá trình tạo nano vàng 53
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hình thành hạt nano
vàng trong dung dịch chitosan. 55
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát tính kháng khuẩn của dung dịch nano vàng – chitosan 61
Bảng 3.6: Độ lún kim của kem nền. 62
Bảng 3.7: Mức độ phản ứng trên da thỏ. 63
Bảng 3.8: Phân loại các phản ứng trên da thỏ. 64
Bảng 3.9: Kết quả kiểm tra nồng độ vàng trong kem chứa 10% dung dịch nano
vàng – chitosan 64
Bảng 3.10: Kết quả kiểm tra nồng độ vàng trong kem chứa 15% dung dịch nano
vàng – chitosan 64
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, khoa học và công nghệ nano đã có những bước phát triển mạnh
mẽ, những nghiên cứu và công nghệ nano được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong
cuộc sống, đặc biệt là lĩnh vực y – sinh học. Ứng dụng của vật liệu ở kích thước
nano vào quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh là một hướng nghiên cứu đang chiếm
nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới.
Chúng ta đã biết, vàng (Au) là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, không độc, có
khả năng tương thích sinh học và được xem là trơ nhất trong tất cả các kim loại. Thế
nhưng khi tồn tại ở kích thước nano, các hạt nano vàng xuất hiện nhiều hoạt tính
10
4p
6
5s
2
4f
14
5p
6
6s
1
.
- Bán kính nguyên tử: 0,144nm.
- Bán kính ion (Au
+1
): 0,137nm.
- Cấu trúc tinh thể (ở 20
°
C): lập phương tâm mặt (FCC).
1.1.2. Tính chất vật lý của vàng
Vàng ở điều kiện thường (t = 20°C) tồn tại dạng thể rắn, có ánh kim. Vàng là
kim loại có tính dẻo cao, dễ dát mỏng và kéo sợi. Người ta có thể dát vàng thành lá
mỏng đến mức ánh sáng có thể xuyên qua. Vàng có tỷ trọng chất rắn (ở 20°C) là
19,32g/cm
3
, sôi tại nhiệt độ 2807°C, nóng chảy tại nhiệt độ 1064°C. Vàng có rất
nhiều đồng vị từ
183
Au đến
204
dd
+ 4Cl
-
dd
→ AuCl
4
-
dd
3
Vàng hóa hợp trực tiếp với Se, Te khi nung các đơn chất trong ampun hàn
kín. Thành phần của các hợp chất tạo thành khá phức tạp, trong đó đơn giản hơn cả
là AuSe
3
, AuTe
2
.
Vàng có phản ứng với các halogen. Khi cho khí clo đi qua vàng nung nóng
sẽ tạo ra muối clorua tương ứng (AuCl
3
). Vàng chỉ phản ứng với flo ở nhiệt độ cao.
1.1.4. Ứng dụng của vàng
Trong nền kinh tế: vàng là một loại tiền tệ đặc biệt dùng để trao đổi trong
hơn 5.000 năm nay. Lượng vàng tích trữ của một nước ảnh hưởng đến nền kinh tế
của nước đó. Ở Việt Nam, dùng vàng để lưu trữ (tiết kiệm) là một hình thức phổ
biến của người dân.
Hình 1.1: Vàng thỏi
Trong nha khoa: theo các nhà khảo cổ, vàng được sử dụng trong nha khoa
cách đây hơn 3000 năm. Những người Etrusca sống vào thế kỷ thứ 7 sau công
5
vàng đồng nghĩa với việc tuổi thọ của các tác phẩm bằng vàng sẽ lâu hơn rất nhiều
so với các bức họa thông thường.
Hình 1.3: Ngôi nhà được trang trí bằng vàng
Điện tử: vai trò chính của vàng trong lĩnh vực điện tử được ứng dụng vào các
công tắc, bộ chuyển mạch, cục rơle và các khớp nối. Công tắc được mạ điện với
một lớp màng mỏng bằng vàng tăng khả năng dẫn lên nhiều lần. Việc gắn vàng lên
công tắc nhằm đảm bảo cho việc phân tán nhiệt lượng một cách nhanh chóng, và
giúp ngưng lại quá trình oxi hoá hoặc bị mờ do tác động của nhiệt độ quá thấp hoặc
quá cao. Một ứng dụng khác của vàng trong kỹ thuật điện là các thiết bị bán dẫn, ở
đó các dây hoặc “mảnh” vàng đủ nhỏ được dùng đề kết nối các chi tiết như bóng
bán dẫn với các vi mạch, và trong các bảng mạch thì được dùng để liên kết các chip
điện tử lại với nhau.
Hình 1.4: Sử dụng vàng trong các mạch điện
1.2. Tổng quan về chitosan
1.2.1. Cấu trúc của chitosan
6
Chitosan là một loại polime carbohydrate tự nhiên có thể tạo ra bằng cách
deacetyl hoá chitin.
Hình 1.5: Công thức cấu tạo của chitin và chitosan
Chitosan là dẫn xuất deacetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (-NH
2
) thay thế
nhóm (-NHCOCH
3
) ở vị trí C
2
Trong công nghiệp thực phẩm, chitosan làm phụ gia thực phẩm duy trì
hương vị tự nhiên, ổn định màu, nhũ tương, làm dày cấu trúc, màng bảo quản rau
quả tươi, làm trong nước quả ép, giữ màu sắc và hương vị tự nhiên của sản phẩm.
Trong công nghiệp in, chitosan làm chất keo cảm quang, trong công nghiệp
nhuộm làm tăng độ màu vải nhuộm. Trong nông nghiệp, oligochitosan làm thuốc
tăng trưởng thực vật và kích thích gây tạo kháng sinh thực vật, thuốc diệt nấm bệnh
cho thực vật, gia tăng hệ số nhân và sinh khối tươi cho cây nuôi cấy mô.
Trong khoa học kỹ thuật, chitosan làm dung dịch tăng độ khuyếch đại của
kính hiển vi, xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt: thu hồi ion kim loại, protein,
phenol, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm [1], [2].
8
1.3. Tổng quan về nano vàng
1.3.1. Hạt nano kim loại
Khoa học và công nghệ nano là thuật ngữ đang được sử dụng phổ biến hiện
nay, đối tượng của chúng là những vật liệu có một hay nhiều chiều có kích thước ở
cấp độ nanomet. Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học
người Mỹ Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều
sâu của cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật
ngữ “công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974, do Nario
Taniguchi một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả
năng chế tạo cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử. Khi vật liệu kim loại có kích
thước cả 3 chiều đều ở cấp độ nanomet thì người ta đặt tên cho nó là hạt nano kim
loại. Ở kích thước nano, kim loại sẽ có những tính năng đặc biệt mà vật liệu truyền
thống không có được, nguyên nhân do liên quan đến sự thu nhỏ kích thước làm tăng
diện tích mặt ngoài.
1.3.2. Tính chất của hạt nano kim loại
Hạt nano kim loại có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu khối. Theo tổng
hợp các nghiên cứu từ trước tới nay, các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu
đều có một giới hạn theo kích thước. Nếu kích thước của vật liệu mà nhỏ hơn kích
thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi, người ta gọi đó là kích thước
vào kích thước của vật liệu. Độ dẫn điện trong kim loại được mô tả bởi các tán xạ
10
electron khác nhau. Điện trở suất của chúng tuân theo định luật Matthiessen, bằng
tổng điện trở suất gây ra do nhiệt cộng với phần điện trở suất gây ra do bởi các
khuyết tật trong mạng tinh thể. Sự giảm các chiều của vật liệu có hai ảnh hưởng rõ
rệt lên điện trở suất:
Đầu tiên, giảm chiều làm tăng tính tuần hoàn của tinh thể hay làm giảm các
khuyết tật. Kết quả làm giảm các tán xạ do sai hỏng nên làm điện trở suất giảm. Tuy
nhiên tán xạ do các sai hỏng ảnh hưởng rất bé lên điện trở suất.
Thứ hai, khi giảm chiều thì các tán xạ đóng góp bởi bề mặt trở nên quan
trọng, và nó ảnh hưởng quyết định đến tổng điện trở suất của các hạt nano kim loại.
Ngoài ra, khi kích thước của các hạt nano nhỏ hơn kích thước tới hạn, chẳng
hạn nhỏ hơn bước sóng de Broglie của electron có thể dẫn đến thay đổi cấu trúc
điện tử. Các mức năng lượng trong kim loại trở nên rời rạc, độ rộng vùng cấm tăng
lên, dẫn đến làm giảm độ dẫn điện của vật liệu.
1.3.2.4. Tính chất từ
Tính chất từ của vật liệu là sự hưởng ứng của nó đối với từ trường (khi đặt
vào từ trường, trạng thái vật lý của nó thay đổi). Tính chất từ của vật liệu có nguồn
do các hạt (như hạt nhân, điện tử, nguyên tử) cấu thành có moment từ. Các kim loại
khi ở trạng thái khối có rất nhiều moment từ và chúng định hướng hỗn loạn nên
moment từ trung bình bằng không. Khi kích thước của vật liệu ở cấp độ nguyên tử
thì sự bù trừ sẽ không còn toàn diện nữa và vật liệu xuất hiện tính chất từ. Các kim
loại chuyển tiếp: sắt, coban, niken ở trạng thái khối đã có tính chất từ, khi ở dạng
hạt nano sẽ phá vỡ trật tự sắt từ và chuyển sang trạng thái siêu thuận từ.
1.3.3. Hạt nano vàng
Vào khoảng thế kỷ thứ 5-4 TCN, tại Ai Cập và Trung Quốc con người đã
biết được khả năng “làm tan” vàng để mở rộng hướng ứng dụng của vàng. Trong
thời cổ đại, vàng được sử dụng nhằm mục đích trang trí và vật trao đổi. Lúc này,
con người đã biết dùng dung dịch “keo” vàng để tạo màu cho thủy tinh và đồ gốm.
11
Năm 1908, Mie là người đầu tiên giải thích màu đỏ của hạt nano “keo” vàng
bằng cách giải phương trình Maxwell cho trường hợp sóng điện từ ánh sáng tương
tác với các quả cầu kim loại nhỏ [8]. Ông chỉ ra vùng cộng hưởng plasmon phụ
thuộc trực tiếp vào kích thước hạt và bề rộng vùng plasmon tăng theo chiều tăng
kích thước hạt. Theo đó, các đặc điểm chính trong cộng hưởng plasma bề mặt của
hạt nano vàng:
- Xuất hiện ở vị trí khoảng 520 nm.
- Hình dạng phổ tăng theo chiều tăng kích thước các hạt nano. Khi kích thước
hạt đạt tới dưới 3 nm thì hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng.
- Khi kích thước của các hạt nano vàng dưới 2 nm thì không xuất hiện cộng
hưởng plasmon bề mặt.
- Vùng cộng hưởng plasma cực đại và bề rộng vùng phụ thuộc vào hình dạng
hạt, hằng số điện môi của môi trường và nhiệt độ.
Mặc dù “keo” vàng được sử dụng để chữa một số bệnh từ thời Trung Cổ và
một số phương pháp vẫn được sử dụng cho tới bây giờ ở một số nơi, nhưng các thử
nghiệm trên các dụng cụ phân tích hiện đại ngày nay cho kết quả kiểm tra không
hoàn toàn đáng tin cậy. Dựa trên cơ sở những gì đã biết, khoa học và công nghệ
nano đang không ngừng mở rộng ứng dụng của các hạt nano phục vụ cho các nhu
cầu ngày càng cao của con người.
13
1.3.4. Phƣơng pháp điều chế hạt nano vàng
Xét một cách tổng thể thì chỉ có 2 phương pháp chung dùng để tổng hợp các
hạt nano: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên
(bottom-up), và trong mỗi phương pháp đã được mở rộng để ứng dụng cho các
trường hợp cụ thể. Phương pháp từ trên xuống sử dụng kỹ thuật nghiền và biến
dạng để biến vật liệu thể khối thành cỡ hạt kích thước nano. Đây là phương pháp
đơn giản, rẻ tiền nhưng rất hiệu quả, tạo ra được một lượng lớn vật liệu, có thể tiến
hành cho nhiều loại vật liệu. Bằng kỹ thuật nghiền có thể tạo ra các hạt nano có
đường kính trong khoảng từ vài chục đến vài trăm nano mét. Tuy nhiên, các hạt
nano được tạo thành có tính đồng nhất không cao và có hình dáng khác nhau. Thêm
thì vận tốc phản ứng nhanh và tạo điều kiện thuận lợi để hình thành các hạt có kích
thước nhỏ hơn. Chất khử yếu làm vận tốc phản ứng chậm và các hạt nano tạo thành
có kích thước lớn hơn. Tuy nhiên, vận tốc phản ứng chậm lại tạo điều kiện thuận lợi
để kích thước hạt, làm cho hạt được tạo thành được đồng nhất hơn. Việc lựa chọn
tác nhân khử hóa học này phụ thuộc vào tính kinh tế và yêu cầu của quá trình điều
chế cũng như chất lượng của các hạt nano tạo thành. Bảng 1.1, cho thấy kích thước
trung bình của các hạt nano vàng được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học khi
dùng các tác nhân khử khác nhau.
Bảng 1.1: So sánh kích thước của hạt nano Au dùng các chất khử khác nhau để tổng
hợp, tất cả được tính ở nano mét.
Chất khử
436 nm*
546 nm*
XRD°
SEM
Sodium citrate
29.1
28.6
17.5
17.6 ± 0.6
Hydrogen
peroxide
25.3
23.1
15.1
15.7 ± 1.1
31.0
31.3
18.7
13.9
8.1 ± 0.5
21.0
15.5 ± 1.7
29.6
25.6 ± 2.6
36.9
35.8 ± 9.7
- Kích thước hạt được tính từ bước sóng tới của ánh sáng tán xạ.
Copyright: Tài liệu đại học ©