TỔNG HỢP NANO BẠC TỪ CHIẾT XUẤT HẠT QUẢ NHO

Tính chất của nano bạc và các phương pháp tổng hợp

Trong nhiều thập kỷ qua, nano bạc luôn là vật liệu thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học trên thế giới nhờ vào những tính chất đặc biệt, bao gồm độ dẫn điện tốt, tính khử mạnh và đặc biệt là hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả đến từ khả năng gây mất hoạt tính enzym, gián đoạn tế bào và sửa đổi acid nucleic [1]. Ngoài ra, một số nghiên cứu đã cho thấy nano bạc còn sở hữu đặc tính chống ung thư và chống oxy hóa [2]. Vì vậy, nano bạc đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước trong nông nghiệp, công nghiệp dệt nhuộm đến chế tạo đầu dò sinh học... [3]. Ví dụ như, nano bạc thường xuyên được sử dụng làm tác nhân kháng khuẩn trong bao bì bảo quản thực phẩm hoặc trong các sản phẩm của ngành y tế, hay được phủ lên bề mặt các hạt xúc tác quang hóa để tăng cường quá trình phân hủy chất hữu cơ dưới bức xạ ánh sáng phù hợp [4]. Park và các cộng sự cũng đã chứng minh nano bạc có thể thể hiện hoạt tính xúc tác Fenton đối với quá trình xử lý bisphenol A và ethinylestradiol trong nước [5].

Chính vì vậy, rất nhiều công trình đã tập trung nghiên cứu tổng hợp nano bạc và phát triển hàng loạt phương pháp tổng hợp nano bạc khác nhau như sử dụng bức xạ siêu âm [6], kỹ thuật kết tủa hơi hóa học [7], ngâm tẩm [8], sol-gel [9] và vi sóng [10]. Một vài phương pháp mới trong tổng hợp vật liệu cũng được đề nghị, chẳng hạn phương pháp kích nổ điện dây kim loại đã được Chung và nhóm nghiên cứu sử dụng để tổng hợp đồng thời nano bạc và nano đồng [11]. Khi một dòng điện có cường độ dòng lớn đi qua dây dẫn ở hiệu điện thế cao, dây kim loại sẽ dần bị bay hơi và nhờ đó hình thành nên nano kim loại. Ngoài ra, nano bạc phủ trên nền graphene cũng được tổng hợp thành công bằng cách sử dụng kỹ thuật cắt laser femto giây (1 femto giây = 10^-15 giây) [12]. Kỹ thuật này dựa trên việc chiếu bức xạ laser với độ dài xung cực ngắn và công suất cực cao xuyên qua dung dịch chứa ion Ag⁺, nhờ vậy có thể tạo ra các hạt nano bạc với kích thước khoảng 2-40 nm trong thời gian rất ngắn (30 phút - 1 giờ). Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp nêu trên đều có ít nhiều hạn chế, hoặc phải sử dụng các trang thiết bị hiện đại, phức tạp, hoặc phải dùng các hóa chất đắt tiền, không thân thiện với môi trường. Vì vậy, nhu cầu về việc tìm ra một phương pháp tổng hợp nano bạc mới có tính thân thiện với môi trường, đồng thời kinh tế hơn vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học.

Tổng hợp nano bạc theo con đường hóa học xanh

Gần đây, một số báo cáo thuộc lĩnh vực hóa học xanh đã đề nghị sử dụng các thành phần từ cây trồng để làm tác nhân khử và chất ổn định trong tổng hợp nano bạc [13]. Cụ thể, theo những nghiên cứu này, chiết xuất từ nhiều loại thực vật khác nhau như cây Jatropha curcas (dầu mè) [14], Capsicum anuum (một loại ớt Nam Mỹ) [15], Argemone mexicana (cà dại hoa vàng) [16], Ocimum sanctum (hương nhu tía) [17], Ficus benghalensis (một loại dâu tằm) [18] có thể đóng vai trò là tác nhân khử nhằm chuyển hóa ion Ag⁺ thành nano kim loại bạc (Ag⁰). Bên cạnh đó, một số nghiên cứu cũng cho thấy tiềm năng trong việc sử dụng các vật liệu phế thải giá thành thấp có nguồn gốc nông nghiệp để sản xuất vật liệu nano. Lá cây củ cải hoặc vỏ và hạt quả nho đã được Krishnaswamy, Narayanan sử dụng để điều chế nano vàng với kích thước dao động từ 20 đến 25 nm [19, 20]. Nhiều nhà khoa học tin rằng khả năng khử sinh học hiệu quả ion Au³⁺ thành kim loại vàng đến từ procyanidin (hình 1) cùng nhiều thành phần phức tạp khác có sẵn trong lớp vỏ và hạt của loại trái cây này.

Từ những kết quả trên, nhóm nghiên cứu của GS Kwang-Ho Choo thuộc Khoa Công nghệ môi trường (Đại học Quốc gia Kyungpook, Hàn Quốc) đã đề nghị sử dụng chiết xuất từ hạt của quả nho để tổng hợp sinh học nano bạc trong một quy trình xanh đơn giản với nhiệt độ thấp, chỉ khoảng 40^oC [21]. Sản phẩm nano bạc này đã được nhóm nghiên cứu thử nghiệm cho quá trình xử lý phẩm nhuộm Direct Orange 26 độc hại với tác nhân khử NaBH₄.

Quy trình điều chế nano bạc từ chiết xuất của hạt nho

Để tổng hợp nano bạc theo quy trình hóa học xanh với chiết xuất từ hạt nho, đầu tiên, nhóm nghiên cứu của GS Kwang-Ho Choo đã chuẩn bị sẵn dung dịch Ag⁺ với nồng độ 0,01M từ AgNO₃ có độ tinh khiết 99,8%. Chiết xuất hạt nho mua từ Công ty Jian He Biotech được nhóm hòa vào trong nước khử ion để tạo thành dung dịch tiền chất khử sinh học (0,05 g chiết xuất hạt nho/100 ml nước). Tiếp theo, hai dung dịch trên được trộn vào nhau dưới điều kiện khuấy từ liên tục ở nhiệt độ khoảng 40^oC. NaOH được cho vào để hiệu chỉnh pH lên đến 7. Quá trình hình thành nano bạc được theo dõi nhờ vào sự thay đổi màu sắc của hỗn hợp dung dịch từ màu tím nhạt đến màu nâu tối (hình 2).

Nhằm khẳng định sự hình thành của nano bạc, sản phẩm được nhóm nghiên cứu khảo sát thông qua phổ hấp thu UV-khả kiến (hình 3A) và giản đồ nhiễu xạ tia X (hình 3B). So với dung dịch chỉ chứa chiết xuất nho, mẫu sản phẩm sinh ra từ phản ứng giữa AgNO₃ với chiết xuất quả nho thể hiện rõ mũi hấp thu ở 425 nm với cường độ cao trong phổ hấp thu UV-khả kiến, tương ứng với hiện tượng cộng hưởng plasmon trên bề mặt của kim loại bạc, qua đó chứng tỏ sự hình thành của các hạt keo nano bạc. Đồng thời, các mũi nhiễu xạ tia X ở 38,13°, 44,30°, 64,34° và 77,42° của sản phẩm đều lần lượt trùng khớp với các mặt mạng (111), (200), (220) và (311), khẳng định nano bạc đã được tổng hợp thành công từ phản ứng giữa AgNO₃ và chiết xuất hạt nho.

Hình thái của nano bạc cũng được quan sát bằng ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua, cho thấy các hạt hình cầu với kích thước dao động từ 20 đến 50 nm (hình 4). Như vậy, procyanidin hiện diện trong hạt nho có thể đã đóng vai trò kép trong quá trình tổng hợp nano bạc: vừa khử ion bạc, vừa bao phủ các mầm tinh thể nano bạc, ngăn không cho chúng kết tụ lẫn nhau. Cụ thể, khi chiết xuất hạt nho được hòa trộn với dung dịch Ag⁺, phức chất Ag⁺-procyanidin được hình thành như một chất trung gian. Sau đó, phối tử procyanidin sẽ khử nhân ion Ag⁺ thành các nguyên tử bạc, rồi hình thành các cụm cluster nano bạc nhỏ lơ lửng trong dung dịch. Các cụm cluster này được phủ bởi procyanidin, nhờ đó duy trì độ bền của dung dịch keo nano bạc, có thể kéo dài đến vài tháng.

Hoạt tính xúc tác của nano bạc

Sau khi tổng hợp, hoạt tính xúc tác của sản phẩm nano bạc trong nghiên cứu được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy phẩm nhuộm Direct Orange 26 với chất khử NaBH₄. Dung dịch Direct Orance 26 (50 mg/l) được trộn đều với 0,1 ml dung dịch NaBH₄ (0,2M) và 0,1 ml dung dịch nano bạc (100 μg/ml). Sự thay đổi nồng độ của phẩm nhuộm theo thời gian được theo dõi thông qua phổ hấp thu UV-khả kiến (hình 5). Direct Orange 26 vốn là một phẩm nhuộm azo (với bước sóng hấp thu cực đại ở 495 nm) chuyên dùng để nhuộm vải và lụa, không có khả năng phân hủy sinh học bằng các phương pháp vi sinh thông thường. Ngay cả khi cho NaBH₄, nồng độ phẩm nhuộm không bị ảnh hưởng đáng kể. Tuy nhiên, với sự hiện diện đồng thời của nano bạc và NaBH₄, trong vòng 18 phút phẩm nhuộm này bị phân hủy nhanh chóng, thể hiện qua sự suy giảm rất mạnh cường độ của mũi hấp thu ở 495 nm. Kết quả này cho thấy nano bạc sở hữu hoạt tính xúc tác rất hiệu quả đối với phản ứng khử phân hủy phẩm nhuộm Direct Orange 26.

Như vậy, bằng việc tận dụng hạt quả nho làm chất khử, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Kwang-Ho Choo đã phát triển thành công một phương pháp khử sinh học mới vừa đơn giản, vừa thân thiện với môi trường nhằm ứng dụng trong tổng hợp nano bạc. Sản phẩm tạo thành không chỉ đáp ứng các yêu cầu về vật liệu nano mà còn có độ bền cao và đặc biệt có tiềm năng ứng dụng trong các phản ứng xúc tác xử lý chất hữu cơ độc hại.