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.

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 phương 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, phương pháp khử hóa học thường được sử dụng khá phổ biến do hiệu suất cao và dễ thực hiện. Tuy vậy, trở ngại của phương pháp này là lượng chất khử còn dư có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Để khắc phục hạn chế đó, nhiều công trình nghiên cứu chế tạo đồng nano sử dụng chất khử thân thiện với môi trường đã được thực hiện [5]. Những nghiên cứu này đều hướng đến mục tiêu chung là tạo ra các hạt đồng nano có kích thước nhỏ với độ ổn định cao để khai thác tối đa các ứng dụng của chúng.

Chitosan là một polymer sinh học, được chế tạo từ quá trình đề axetyl hóa chitin bằng kiềm đặc. Chitosan có ưu điểm nổi bật là phân hủy sinh học, không gây độc môi trường, có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxi hóa,… [3]. Những nghiên cứu gần đây cho thấy, chitosan có khả năng ổn định kích thước hạt và hạn chế quá trình oxy hóa [5]. Tuy vậy, nghiên cứu sử dụng chitosan làm chất ổn định trong chế tạo đồng nano vẫn còn ít được quan tâm.

Trong nghiên cứu này, đồng nano được chế tạo bằng phương pháp khá đơn giản, sử dụng NaBH4 làm chất khử và chitosan như là một chất ổn định. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến kích thước hạt và hoạt tính kháng nấm của đồng nano cũng đã được khảo sát.

Các hóa chất CuSO₄.5H₂O, ascorbic acid, được sử dụng ở dạng tinh khiết phân tích. NaBH4 là sản phẩm tinh khiết của Merck, Đức. Chitosan nguyên liệu được cung cấp bởi Công ty Cổ phần Đầu tư và Công nghệ Hương Nam, Vũng Tàu. Nước cất 2 lần được sử dụng cho toàn bộ thí nghiệm.

Hòa tan 0,25 gam CuSO₄.5H₂O bằng nước cất thu được 40 mL dung dịch CuSO₄, thêm 100 mL acid acetic 0,1M 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 0,5M vào hỗn hợp phản ứng, tiếp tục khuấy từ trong 20 phút. Nhỏ 0,5 mL NaBH4 0,4M vào hỗn hợp, tiếp 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 hoàn toàn, thu được dung dịch đồng nano [3]. Dung dịch đồng nano được kiểm chứng bằng các phương pháp phân tích như UV - Vis, XRD, TEM. Trong quá trình thí nghiệm, chitosan được thay đổi nồng độ, từ 0,5% đến 5%, để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến hình thái và kích thước hạt. Mẫu đồng nano sau đó được pha loang với nồng độ khác nhau, từ 20 đến 100 ppm, để kiểm tra khả năng kháng nấm Aspergillus niger.

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

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

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

Hình 4 cho thấy sự thay đổi màu sắc 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 ổn định hệ keo đồng nano. Các mẫu còn lại có nồng độ chitosan cao hơn tương đối bền nhiệt động.

Phổ UV-vis của các mẫu đồng nano trong dung dịch khi thay đổi nồng độ chitosan được thể hiện 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 chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía bước sóng ngắn. Điều này có thể là do ở nồng độ cao của chitosan, quá trình ổn định hạt mầm diễn ra nhanh hơn đã hạn chế tốc độ của quá trình phát triển mầm. Vì vậy, hạt thu được có kích thước tương đối nhỏ hơn, dẫn đến cực đại hấp thụ lớn hơn, đồng thời có sự chuyển dịch cực đại hấp thụ về phía bước sóng ngắn hơn, gây ra do hiệu ứng plasmon khi giảm kích thước hạt [9]. Cơ chế ổn định hạt nano, hạn chế khả năng keo tụ đã được một số tác giả đề cập. Theo đó, giả thiết về khả năng tạo liên kết phối trí của đồng với nhóm amin của chitosan được nhiều tác giả thừa nhận [5]. Nhờ vào khả năng này, các hạt đồng nano sau khi hình thành được ổn định bởi các chuỗi phân tử chitosan có khối lượng phân tử lớn. Tương tác giữa các phân tử chitosan với nước giúp phân tán các hạt đồng nano [5], hạn chế được khả năng phát triển hạt, vì vậy ngăn chặn được sự keo tụ của chúng.

Ảnh TEM và giản đồ phân bố kích thước hạt của các mẫu đồng nano trong dung dịch chitosan có nồng độ khác nhau được thể hiện ở Hình 6. Hình ảnh cho thấy, ở nồng độ chitosan thấp, các hạt thu được không đồng đều, kích thước hạt tương đối lớn. Kích thước hạt của các mẫu đồng nano trong dung dịch chitosan 0,5% và 1% tương ứng lần lượt là 25nm và 18nm. Khi gia tăng nồng độ chitosan lên 2% và 5%, kích thước hạt thu được không khác biệt có ý nghĩa, các hạt thu được khá đồng đều, có phân phố lệch, hạt có kích thước khoảng 2nm chiếm ưu thế, kích thước hạt trung bình thu được là 3,5nm. Kết quả này cho thấy, chitosan 2% có thể là nồng độ phù hợp để ổn định tốt dung dịch keo đồng nano.

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

Đồng nano kích thước hạt trung bình 3,5nm đã được chế tạo bằng phương pháp khử hóa học, sử dụng chitosan làm chất ổn định. Nồng độ chitosan 2% là phù hợp để ổn định và ngăn chặn sự keo tụ của hệ keo đồng nano. Dung dịch keo đồng nano với nồng độ khoảng 50ppm có hoạt tính kháng nấm rất hiệu quả, 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.

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.

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