Document Type : Research Paper
Authors
1 PhD. Student, Department of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
2 Professor of Weed Science University of Mohaghegh Ardabili I.R. of Iran.
3 Professor, Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
4 Ph.D student, Department of Chemistry, Faculty of Sciences, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
Abstract
Nanoscale science and technology the production of matter in nanometer dimensions and exploitation of its properties in modern systems. Today, one of the most efficient methods of nanoparticle synthesis is the method of green synthesis or biosynthesis of nanoparticles by plants. The purpose of this study was to synthesize and develop a green method for the preparation of iron nanoparticles. In this study, iron nanoparticles were synthesized in a process by the extract of Russian knapweed (Acroptilon repens L.) which containing phenolic compounds. The extract of the plant was obtained by maceration method. The co-precipitation method was used to prepare iron nanoparticles with the extract of Acroptilon repens L. The samples were analyzed by Thermo Gravimetric Analysis (TGA), Fourier transform infrared (FT-IR), Vibrating Sample Manetometer (VSM), Scanning Electron Microscope (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD). In Spectrophotometric analysis, the presence of a peak in the range of 490 to 600 nm indicates the biological synthesis of these nanoparticles with extract of Acroptilon repens. The size and morphology of biologically synthesized nanoparticles were determined by scanning electron microscopy, and it was found that the shape of the polygonal and round particles and their average size are about 39 to 50 nanometers. The results of X-ray diffraction analysis also showed the nanocrystals synthesized extract of Acroptilon repens. According to the results, it can be said that the polyphenolic compounds in the Acroptilon repens. extract were acted as iron-metal reducing agents, and also as a complexing agent synthesize iron nanoparticles and make them sustainable
Keywords
Main Subjects
سنتز سبز نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4) با استفاده از عصاره آبی اندامهای هوایی گیاه تلخه (Acroptilon repens L.)
لیلی نباتی سوها1، محمدتقی آل ابراهیم1*، عزیز حبیبی ینگجه2 و سولماز فیض پور2
1 ایران، اردبیل، دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی
2 ایران، اردبیل، دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکده علوم پایه، گروه شیمی
تاریخ دریافت: 03/06/1399 تاریخ پذیرش: 03/04/1400
چکیده
علم و فناوری نانو تولید ماده در ابعاد نانومتری و بهره برداری از خواص آن در سامانههای نوین است. امروزه یکی از کارآمدترین روشهای سنتز نانوذرات، روش سنتزسبز یا بیوسنتز نانوذرات توسط گیاهان میباشد. هدف از انجام این تحقیق نیز سنتز و توسعه یک روش سبز جهت تهیه نانوذرات آهن میباشد. در این پژوهش، نانوذرات اکسید آهن در یک فرآیند به وسیله عصاره اندامهای هوایی گیاه تلخه (Acroptilon repens L.) که دارای ترکیبات فنولی میباشد سنتز شد. عصاره گیاه با روش ماسراسیون (خیساندن) به دست آمد. برای تهیه زیستی نانوذرات آهن با عصاره تلخه از روش همرسوبی استفاده شد. نمونه های به دست آمده توسط آنالیزهای توزین حرارتی (TGA)، سنجش مغناطیسی نمونه ارتعاشی (VSM)، طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)، پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. تغییر رنگ در محلول و ته نشین شدن رسوبات قهوهای رنگ در انتهای ظرف، تأیید کننده موفقیت آمیز بودن سنتز سبز نانوذرات آهن بود. در آنالیز طیف سنجی وجود پیک در محدوده 490 تا 600 نانومتر، حاکی از سنتز زیستی این نانوذرات با عصاره گیاه تلخه میباشد. اندازه و مورفولوژی نانوذرات سنتز شده به روش زیستی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی تعیین شد و مشخص گردید که شکل ذرات چند وجهی و گرد و اندازه متوسط آنها در حدود 39 تا 50 نانومتر است. همچنین نتایج آنالیز پراش اشعه ایکس، نانوکریستالهای سنتز شده به وسیله عصاره تلخه را نشان داد. با توجه به نتایج به دست آمده میتوان گفت که ترکیبات پلی فنولی موجود در عصاره تلخه به عنوان عامل کاهنده یون فلز آهن عمل کرده، همچنین به عنوان عامل کمپلکس کننده هم موجب سنتز نانوذرات آهن و هم موجب پایداری آنها میشوند.
واژه های کلیدی: فناوری نانو، بیوسنتز، عصاره آبی، علفهرز، روش همرسوبی.
* نویسنده مسئول، تلفن 04531505012 ، پست الکترونیکی: m_ebrahim@uma.ac.ir
مقدمه
فناوری نانو یکی از پویاترین، پیشرفتهترین و مهمترین علوم موجود در جهان است که ظرفیتهای بالا، کارآمد و فراوانی برای استفاده در علوم مختلف ازجمله پزشکی، کشاورزی و محیطزیست دارد (19و 45). این فناوری توانایی ساخت، کنترل و استفاده از مواد در ابعاد نانومتری با خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاص است که آنها را از ذرات همان ترکیب متمایز میسازد (27). مواد نانو ویژگیهای جالب توجه زیادی دارد که از بین آنها میتوان به: سبک و کوچک بودن آنها، سرعت انحلال و پراکندگی آنها، استفاده در مقادیر کم، چند کاربردی بودن و صرفه جویی در مواد مصرفی اشاره کرد (13 و 27). تهیه و ایجاد ذرات در اندازه نانو موجب افزایش نسبت سطح به حجم میشود که این امر امکان واکنش آنها با مولکولهای آلی و غیر آلی را بیشتر میکند (63). دامنه وسیعی از پلیمرهای سنتزی و طبیعی میتوانند برای آماده سازی نانوذرات مورد استفاده قرار بگیرند (44). در سالهای گذشته سنتز ذرات آهن در اندازه نانو (1تا 100 نانومتر) مورد توجه قرار گرفته است (57). نانو ذرات اکسید آهن به دلیل ویژگیهای خاص از جمله خصوصیات مغناطیسی و واکنش پذیری بالا دارای کاربردهای گستردهای میباشند (17 و 54). پژوهشهای اخیر در مورد خواص مغناطیسی نانو ذرات آهن نشان داده است که این نانو ذرات میتوانند فعالیتهای گسترده و زیادی در زمینههایی مثل پزشکی، کشاورزی و محیط زیست داشته باشند (25، 36 و 58). برای تولید نانوذرات بیشتر از روشهای فیزیکی و شیمیایی استفاده میشود (16). از معایب این روشها میتوان به استفاده از مواد سمی و مضر در این روشها، اتلاف انرژی زیاد، زمانبر بودن، خطرناک بودن برای محیط زیست و انسان، تولید کم نانوذرات و صرف هزینه زیاد اشاره کرد (16 و 29). از این رو دستیابی به روشی با بازده بالا، کم هزینه، بدون تولید مواد سمی و بدون آسیبهای زیست محیطی مورد توجه قرار گرفته است. یکی از روشهای مورد توجه برای تولید نانوذرات، تولید به روش زیستی است (43 و 48). از جمله موادی که در تولید زیستی نانو ذرات کاربرد دارد عبارت است از گیاهان، عصارههای گیاهی، بیوماس گیاهی، جلبکها، قارچها و میکروارگانیسمها (48 و 55). استفاده از گیاهان به دلیل سازگاری زیاد با محیط زیست، فراوانی، نیاز نداشتن به شرایط و مواد غذایی خاص برای رشد به طور گستردهای برای تولید نانو ذرات به کار گرفته میشود (10 و 59). بسیاری از بیومولکولهای موجود در گیاهان مانند پلیفنولها، فلاوونوئیدها، اسیدهایآمینه، پلیساکاریدها، آلکالوئیدها، ترکیبات الکلی، ویتامینها و پروتئینها میتوانند در کاهش زیستی، تشکیل و تثبیت نانوذرات نقش داشته باشند (52). امروزه استفاده از عصارههای گیاهی برای سنتز سبز نانوذرات توسعه یافته است تا نانوذراتی سازگار با محیط زیست و ارزان قیمت تولید شود (46). از جمله گیاهانی که میتوان از آن برای سنتز نانو ذرات استفاده کرد گیاه تلخه میباشد (14 و 33).
گیاه تلخه با نام علمی Acroptilon repens L. چندساله، علفی، از خانواده آستراسه و بومی آسیا از جمله ایران است. توان رقابتی بالای تلخه به دلیل داشتن ترکیبات آللوپاتیک و سازگاری اکولوژیکی زیاد، این گیاه را به عنوان علف هرز مهاجم در جهان معرفی کرده است (2، 11 و 50). تلخه دارای ترکیبات شیمیایی فنولی همچون سزکوئی ترپن، فلاونوئید، 8-7 بنزوفلاوین و کاتچین است (12، 26، 50 و 56). با توجه به نکات گفته شده استفاده از عصاره گیاهان که دارای ترکیبات فنولی هستند میتواند باعث کاهش یونهای آهن و عامل کمپلکس کننده عمل کرده و باعث سنتز نانوذرات آهن شوند (22). در مطالعات اخیر از علفهرز تلخه برای سنتز سبز نانو ذرات نقره استفاده شده است که گزارش حاصل از این تحقیق نشان دهنده موفقیت آمیز بودن سنتز سبز نانوذرات نقره با استفاده از این گیاه بوده است (5). هدف از این مطالعه استفاده از عصاره اندامهای هوایی گیاه تلخه به منظور سنتز سبز نانوذرات آهن بود.
مواد و روشها
این تحقیق بهمنظور بررسی سنتز سبز نانوذرات آهن با عصاره آبی اندامهوایی تلخه در سال 1398 در آزمایشگاههای علفهرز و شیمی فیزیک دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی و علوم پایه دانشگاه محقق اردبیلی اجرا شد.
تهیه عصاره آبی تلخه: بهمنظور تهیه و آمادهسازی مواد موردنیاز برای انجام آزمایش، اندام هوایی علفهرز تلخه در مرحله قبل از گلدهی از یک زمین با آلودگی شدید به تلخه در اردبیل جمعآوری گردید. گیاه جمعآوری شده به آزمایشگاه علفهایهرز منتقل و در آون با دمای 60 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت خشک شد. نمونههای خشک شده توسط آسیاب پودرشد. برای تهیه عصاره آبی از روش ماسراسیون (خیساندن) استفاده شد. مقدار 100، 150 و 200 گرم پودر تلخه را داخل ارلنهای جداگانه ریخته و سپس مقدار مشخصی آب مقطر دو بار تقطیر شده به آنها اضافه شد تا حجم نهایی به 1000 میلیلیتر برسد. سپس به مدت 24 ساعت روی دستگاه شیکر با دمای 25 درجه سانتی گراد قرار داده شدند. عصارههای به دست آمده با استفاده از کاغذ صافی واتمن صاف شدند. در مرحله آخر عصارههای صاف شده با دور rpm5000 و به مدت 15 دقیقه سانترفیوژ شد و محلول رویی به عنوان عصاره خالص جدا شده و جهت انجام آزمایش در دمای 4 درجه سانتیگراد نگهداری شدند (1و 3)(شکل1).
|
شکل 1- مراحل عصاره گیری از گیاه تلخه (Acroptilon repense L.)
سنتز نانوذرات اکسید آهن با عصاره گیاه تلخه: برای تهیه Fe3O4 به روش همرسوبی (30 و 41)، ابتدا آب مورد نیاز توسط دمیدن گاز نیتروژن به مدت 20 دقیقه گاززدایی شد. مقدار مشخصی از عصاره تلخه به این محلول اضافه گردید. سپس 1/13 میلیلیتر از محلول آمونیاک 33 درصد به سوسپانسیون اضافه گردید. در یک بشر، 476/0 گرم از FeCl3.6H2O توسط ترازوی دیجیتال با دقت 001/0 توزین و در 20 میلیلیتر آب گاززدایی شده حل شد (محلولA ). در یک بشر دیگر، 166/0 گرم FeCl2.4H2O توسط ترازوی دیجیتال با دقت 001/0 توزین و در محلولی که شامل 5 میلیلیتر آب گاززدایی شده و 8/0 میلیلیتر HCl دو مولار است، حل شد (محلول B). سپس در شرایطی که گاز نیتروژن به درون ظرف دمیده شده و محتویات ظرف تحت همزدن مکانیکی قرار داشت، با استفاده از یک قطرهچکان، محلولهای A و Bبه صورت قطره قطره به محلول داخل ظرف اضافه شد. بلافاصله رسوب قهوهای رنگی در انتهای ظرف تشکیل شد. تغییر رنگ در محلول و ته نشین شدن رسوبات، تأیید کننده سنتز سبز نانوذرات آهن بود. سوسپانسیون بعد از 30 دقیقه همزدن در دمای اتاق به مدت یک ساعت رفلاکس شد. محلول قهوهای رنگ حاصل سانتریفیوژ شده و رسوبات به دست آمده دو بار با آب و اتانول شسته شده و به مدت 24 ساعت در آون در دمای 60 درجه سانتیگراد خشک گردید (شکل2). تکنیکهای اساسی به منظور بررسی و تعیین ویژگیهای نانو ذرات شامل تجزیه و تحلیل وزن سنجی حرارتی (TGA)( Thermal Gravimetric Analysis)، مگنتومتری ارتعاشی (VSM)( Vibrating Sample Magnetometer)، طیف سنجی مادون قرمز (FT-IR)( Fourier Transform Infrared Spectroscopy)، پراش اشعه ایکس (XRD)( X-ray Diffraction) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)( Scanning Electron Microscope) است. (14 و 23). نمونههای به دست آمده توسط این آزمونها آنالیز و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. آنالیزهای وزن سنجی حرارتی نمونهها توسط دستگاهLinseis STAPT1000 با حرارت دهی تحت اتمسفر هوا از دمای اتاق تا 700 درجه سانتی گراد، با سرعت حرارت دهی 10 درجه سانتی گراد در هر دقیقه به دست آمدهاند. وزن سنجی حرارتی یا وزن سنجی گرمایی (Thermogravimetric Analysis)، با نامهای اختصاری TA یا TGA، سادهترین روش آنالیز حرارتی ست که در آن تغییرات جرم نمونه بر اثر حرارت دادن یا سرد کردن برای شناسایی و اندازه گیری فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی به کار میرود. با استفاده از روش تجزیه گرماوزنی (TGA) میتوان تغییرات جرم ماده را به عنوان تابعی از دما یا زمان ثبت نمود. در روش آنالیز وزن سنجی حرارتی یا آنالیز TGA به صورت پیوسته کاهش یا افت وزن در اثر تجزیه یا از دست دادن آب و همینطور افزایش وزن به دلیل جذب یا اکسید شدن اندازه گیری میشود.
ویژگیهای مغناطیسی نمونهها با استفاده از دستگاه مغناطیس سنج مدل VSM به دست آمدهاند. آنالیز VSM، مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) اصلی ترین روش برای مطالعه خواص مغناطیسی مواد است. رفتار مغناطیسی مواد مختلف دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس و غیره، در شکلهای مختلف پودر، جامد، فیلم نازک، تک بلور، مایع و غیره، به کمک VSM با رسم منحنی پسماند، قابل اندازهگیری است. این آنالیز با استفاده از دستگاه Meghnatics Kavir Kashan انجام شده است.
آنالیز FTIR، آنالیز طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (Fourier Transform Infrared spectrometer) برای بررسی پیوندهای شیمیایی و گروههای عاملی استفاده میشود با استفاده از این آنالیز میتوان به راحتی گروههای عاملی مواد را شناسایی کرد. این آنالیز با استفاده از دستگاه Perkin Elmer Spectrum RX I apparatus انجام شده است.
آنالیزXRD ، پراش پرتو ایکس (X-ray Diffraaction) برای تعیین ساختار کریستالی مواد سنتز شده مورد استفاده قرار میگیرد. الگوهای پراش پرتو ایکس نمونهها با استفاده از دستگاه Philips Xpert X-ray diffractometer و تابش kαCu با طول موج 5406/1 آنگستروم و با سرعت روبش ˚/min1 در محدوده 2q از°10 تا °80 تهیه گردیدند.
آنالیزSEM ، میکروسکوپ روبشی الکترونی (Scanning Electron Microscopy) جهت تصویربرداری از نمونه و تعیین ویژگیهای سطحی و مورفولوژی آن استفاده میشود.
شکل 2- مراحل سنتز نانوذرات آهن (Fe3O4) با عصاره گیاه تلخه (Acroptilon repense L.)
نتایج
- تفسیر نتایج به دست آمده از آنالیزTGA : حضور گروههای آلی عصاره گیاهی در سطح نانوذرات سنتز شده به روش زیستی توسط آنالیز توزین حرارتی در شکل (3) نشان داده شد. تفاوت از دست دادن وزن 4 نمونه حاکی از تفاوت در پایداری حرارتی نمونهها تا دمای700 درجه سانتیگراد میباشد. با حرارت دادن Fe3O4 خالص تا 700 درجه سانتیگراد، حدود 10 درصد کاهش وزن مشاهده میشود و در برابر افزایش دما افت وزنی چشمگیری نشان نمیدهد و ثبات گرمایی قابل ملاحظهای دارد، که این امر به دلیل نبود ترکیبات فرار در Fe3O4 خالص است. در این نمونهها افت وزنی که تا دمای 200 درجه سانتی گراد رخ میدهد مربوط به از دست دادن مولکولهای آب جذب شده توسط ذرات میباشد (41).
نمودار رفتار گرمایی نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره خالص 10 درصد تلخه به روش زیستی تقریباً مشابه با آهن خالص است. اما کاهش وزن این نانو ذرات مقداری بیشتر از آهن خالص بوده و از همان ابتدای گرما دهی شروع و تا دمای 700 درجه سانتیگراد با شیب ملایمی ادامه پیدا کرده است. دو کاهش وزن در نمودارهای آنالیز توزین حرارتی مربوط به نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره خالص 15 درصد و 20 درصد تلخه نشان داده شد که مشابه هم بود. اولین کاهش وزن در این دو نمونه تا 200 درجه سانتیگراد به صورت تدریجی رخ داد که مربوط به از دست دادن مولکولهای آب جذب شده میباشد. دومین کاهش وزن در این نمونهها در محدوده 200 تا 700 درجه سانتیگراد میباشد که با شدت زیادی اتفاق افتاده است و این به دلیل تخریب مولکولهای فعال گیاهی است. به عبارتی با سنتز سبز نانوذرات آهن پایداری گرمایی آنها کاهش پیدا میکند. در بین نمونهها بعد از آهن خالص، نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره 10 درصد تلخه نسبت به نمونه های دیگر در برابر گرمادهی از خود مقاومت بیشتری نشان داده است، که دلیل آن را میتوان به پایین بودن مقدار ترکیبات موجود در عصاره اشاره کرد. به طور کلی نتایج TGA نشان داد که عصاره گیاه تلخه در سطح نانوذرات آهن وجود دارد.
شکل 3- نمودارهای TGA مربوط به نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره گیاه تلخه به روش زیستی
- بررسی نتایج حاصل از آنالیز VSM: رفتار مغناطیسی مواد مختلف دیامغناطیس، پارامغناطیس، فرومغناطیس و غیره، در شکلهای مختلف پودر، جامد، فیلم نازک، تک بلور، مایع و غیره، به کمک دستگاه VSM قابل اندازه گیری است (51). خواص مغناطیسی نمونه Fe3O4 و نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره تلخه با استفاده از آنالیز VSM در دمای اتاق توسط میدان اعمال شده Oe 9000 اندازه گیری شد (شکل4). در حضور عصاره تلخه غیرمغناطیسی، مغناطیس پذیری اشباع نمونه Fe3O4 کاهش پیدا کرد. مغناطیس پذیری نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره 10درصد و 15 درصد تقریباً با هم مشابه بوده و نسبت به Fe3O4 به ترتیب از emu g-1 5/55 به emu g-1 8/22 و emu g-122 کاهش یافت (38). مغناطیس پذیری نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره 20 درصد نسبت به غلظتهای کمتر کاهش بیشتری داشت به طوری که بهemu g-1 59/2 رسید. با اینحال، همانطور که در شکل دیده میشود نانوذرات تهیه شده همچنان از لحاظ مغناطیسی به اندازه کافی قوی بوده و میتوان آن را با اعمال یک میدان مغناطیسی به آسانی از محلول جدا کرد. بنابراین می توان گفت که ذرات سنتز شده همگی در دمای اتاق سوپرپارامغناطیس می باشند.
شکل 4- نمودارهای VSM مربوط به نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره گیاه تلخه به روش زیستی
- بررسی نتایج حاصل از آنالیزهای طیف FT-IR : طیف سنجی FT-IRبر اساس جذب تابش و بررسی جهشهای ارتعاشی مولکولها و یونهای چند اتمی صورت میگیرد. طیف سنجی مادون قرمز ابزاری جهت مطالعه وضعیت پیوندها و ریز ساختار مواد در شیمی آلی است که برای بررسی باندهای هیدروژنی و دیگر واکنشها و قابلیت آمیختن پلیمرها میباشد (64). به منظور شناسایی گروههای عاملی عصاره تلخه که بر روی سطح نانوذرات آهن اتصال دارند و همچنین برای تأیید تشکیل نانوذرات، طیف FT-IR مربوط به نمونههای عصاره خالص تلخه، Fe3O4 خالص و نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره خالص تلخه در شکل 5 مورد مطالعه قرار گرفت. پیکهای جذبی پهنی که در نمودارها در ناحیهcm-1 3200 تا cm-13600 مشاهده میگردد که ناشی از ارتعاشات کششی گروههای O-H و مولکولهای آب جذب شده بر روی سطح نانوذرات و عصاره میباشد (6 و 21). باندهای موجود در cm-11624 مربوط به گروههای O-H موجود در ترکیبات فنولی و عصاره میباشد. در طیف مربوط به نانوذرات Fe3O4 تهیه شده با عصاره تلخه پیکهای جذبی در نواحی cm-11052 مربوط به ارتعاشات کششی C-O (گروههای اتری)، در ناحیه cm-11448 مربوط به ارتعاشات کششی C-N، در ناحیه cm-1 1618 مربوط به ارتعاشات C=C مشاهده میشود (18، 21 و 37). باند جذبی که در محدوده عدد موجی cm-1 490 و cm-1 600 دیده میشود ناشی از باند ارتعاشیFe-O موجود در مگنتیت و نانوذرات سنتز شده میباشد (24، 61 و 62).
شکل 5- نمودارهای FT-IR مربوط به نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره گیاه تلخه به روش زیستی
- بررسی خصوصیات سنتز نانوذرات آهن با استفاده از الگوی XRD : ساختار فازی و خلوص نمونههای به دست آمده به کمک الگوهای XRD مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج در شکل (6) نشان داده شده است. طبق الگوی XRD به دست آمده، پیکهای مشخصی که در 26=q2، 30=q2، 35=q2، 43=q2، 49=q2، 56=q2 و 62=q2 وجود دارد سنتز زیستی نانوذرات آهن را نشان میدهد. پیکهای بدست آمده نشان میدهد که نانوذرات آهن دارای ساختار کریستالی مکعبی هستند و با مرجع JCPDS به شماره 1610-75 مطابقت دارد (60). در مقایسه با نانوذرات آهن خالص، نانوذرات آهن سنتز شده به روش زیستی پیک یا شکل خیلی متفاوتی نشان نمیدهند. این نشان میدهد که عصاره تأثیری روی ساختار بلوری و کریستالی نانوذرات ندارد. علاوه بر این، هیچ گونه پیک مربوط به ناخالصی مشاهده نشده است که بیانگر خلوص بالای ترکیبات تهیه شده است.
- بررسی مورفولوژی نانوذرات تهیه شده با استفاده از تصاویرSEM : برای پی بردن به شکل نانوذرات، توزیع نانوذرات و تخمین اندازه نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره تلخه در ابعاد میکرو و نانو، نانو ذرات تهیه شده توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی و تجزیه قرار گرفتند که نتایج مطلوبی مشاهده گردید (شکل7). بهترین تکنیک برای بررسی سطح نانوذرات به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی است. همان طور که مشاهده میشود نانوذرات Fe3O4 از گستره توزیع نسبتاً مناسبی برخوردارند. بر اساس تصویر به دست آمده متوسط اندازه ذرات برای Fe3O4 خالص حدود 50 نانومتر تخمین زده شد که کروی شکل و به صورت تودههای زنجیر مانند هستند.
شکل6- نمودارهای XRD مربوط به نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره گیاه تلخه به روش زیستی
با توجه به شکلهای به دست آمده عصاره تلخه بر روی نانوذرات آهن توزیع شدهاند و همچنین نانوذرات سنتز شده به روش زیستی با استفاده از عصاره گیاه تلخه اندازه کوچکتری نسبت به نانوذرات آهن خالص دارند اما خصوصیات مغناطیسی خود را حفظ میکنند، که این کاهش اندازه را میتوان به حضور ترکیبات فعال آلی موجود در عصاره نسبت داد که در زمان سنتز به سطح نانوذرات متصل شده و مانع از افزایش اندازه ذرات و تجمع آنها میشود (40). بر اساس نتایج حاصل شده میانگین ابعاد نانوذرات سنتز شده با عصاره 10 درصد تلخه 56 نانومتر، 15 درصد تلخه 46 نانومتر و 20 درصد تلخه 39 نانومتر گزارش شد (شکل7). میتوان گفت قطر نانو ذرات آهن به دست آمده در این مطالعه نسبت به سایر مطالعات انجام شده، مشابه و به طور نسبی از اندازه مطلوبی برخوردار است. بنابراین نانوذرات Fe3O4 با موفقیت و با استفاده از عصاره گیاه تلخه به عنوان عامل کاهش دهنده و تثبیت کننده سنتز شدند.
بحث
تهیه و سنتز زیستی نانو ذرات با تأیید اندازه و شکل در روشهای مختلفی ارائه شده و از اهمیت فراوانی برخوردار است (15). گیاهان زیادی وجود دارند که قابلیت تولید و سنتز نانو ذرات و استفاده در صنعتهای ارزشمند و گران بها را دارند ولی هنوز ناشناخته باقی ماندهاند (9 و 42). فرآیند احیای یونهای فلزی و سنتز نانو ذرات، به وسیله متابولیتهای اولیه و ثانویهای مانند آنتی اکسیدانها، فلاونوئیدها، فلاونها، ایزوفلاونها، آنتی سیانیدینها، ایزوتیوساناتها، کاروتنوئیدها و پلی فنولها که در عصاره گیاهی وجود دارند صورت میگیرد (4). به نظر میرسد که عصارههای گیاهی دارای سازگاری خوبی با محیط زیست هستند، به طوری که میتوان از این پروتکل برای تولید سریع نانوذرات مغناطیسی آهن استفاده کرد که این روش، روشی ساده، سبز و کارآمد برای سنتز نانو ذرات مغناطیسی در دمای اتاق بدون استفاده از هیچ گونه ماده کاهش دهنده، مضر و عامل بازدارنده است (21). به طور کلی مزیت تولید نانو ذرات به روش سبز، بر سایر روشهای زیستی به دلیل بیخطر بودن و همچنین قابلیت بالای گیاهان است که بسیار قابل اعتمادتر و سالم تر از باکتری، قارچ و مخمر برای تولید نانوذرات است (34).
(A) |
(B) |
(C) |
(D) |
شکل7- تصویر میکروسکوپ SEM از نانوذرات آهن. (A Fe3O4 خالص (B نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره 10 درصد تلخه
(C نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره 15 درصد تلخه (D نانوذرات آهن تهیه شده با عصاره 20 درصد تلخه
همچنین گیاهان به دلیل فراوانی و عدم نیاز به شرایط و مواد غذایی خاص برای رشد گزینه مناسبی برای تولید نانوذرات به روش زیستی محسوب میشود (8). مطالعات قبلی در مورد نانوذرات آهن نشان داد که عصارههای گیاهی میتواند موجب سنتز سبز نانوذرات آهن شود (31، 51، 53 و 61). در این مطالعه با استفاده از اصول سنتز سبز و برخلاف روشهای شیمیایی نانوذرات آهن به روش هم رسوبی و با استفاده از عصاره آبی زیست توده اندامهای هوایی گیاه تلخه سنتز شد. نانوذرات آهن به دلیل داشتن مساحت سطحی بالا و دارا بودن گروههای عاملی به طور موثری قادر به ترکیب شدن با عصاره گیاهی تلخه میباشد. گیاه تلخه دارای ترکیبات شیمیایی فنولی همچون سزکوئی ترپن، فلاونوئید، 8-7 بنزوفلاوین و کاتچین است (12و 50). ترکیبات پلی فنولی موجود در عصاره تلخه به عنوان عامل کاهنده یون فلز آهن عمل کرده، همچنین به عنوان عامل کمپلکس کننده هم موجب سنتز نانوذرات آهن و هم موجب پایداری آنها میشوند. در این پژوهش میتوان گفت که علفهرز تلخه قابلیت سنتز نانو ذرات اکسید آهن را دارا میباشد و با توجه به این که تاکنون استفاده از این گیاه به منظور کاهش زیستی یونهای آهن گزارش نشده است، نتایج حاصل از این تحقیق کارکرد خوب این گیاه را برای اولین بار به وضوح نشان میدهد. برای عصارهگیری از برگ خشک گیاه استفاده شد، زیرا طبق مطالعات انجام شده برگ خشک گیاهان ظرفیت آنتی اکسیدانی بالاتری نسبت به برگهای غیرخشک دارند (47). سنتز موفقیت آمیز نانوذرات اکسید آهن کپسوله شده با مولکولهای فعال گیاه تلخه به روش هم رسوبی با استفاده از آنالیزهای TGA، VSM، FTIR، XRD و SEM مشخص گردید.
در آزمایش حاضر نانوذرات سنتز شده به این روش توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی آنالیز گردید که با توجه به تصاویر به دست آمده نانوذرات حاصل دارای میانگین ابعاد 39 تا 50 نانومتر بودند. درمطالعهای نانو ذرات آهن با استفاده از عصاره چای سبز سنتز شدند و ساختارشناسی و آنالیزهای صورت پذیرفته بر روی این نانو ذرات به وضوح نشان داد که نانو ذرات سنتز شده دارای ابعادی در محدوده 15 تا 50 نانومتر بودهاند (7). در مطالعه دیگری با توجه به تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی بیان شد که در سنتزسبز نانوذرات آهن با عصاره آبی برگ چای سبز نانوذرات تولید شده کروی شکل بوده و قطر آنها حدود 116 نانومتر میباشد (28). همچنین در سنتز نانوذرات آهن توسط عصاره برگ چریش (Azadirachta indica)، به وسیله تصاویر SEM اثبات شد که نانوذرات آهن کروی بوده و قطری در حدود 100 نانومتر دارند (49). در آزمایشی که سنتز نانوذرات آهن با عصاره گیاه نعنا بود اندازه نانوذرات با میکروسکوپ الکترونی روبشی آنالیز و محاسبه شد. بر اساس دادههای به دست آمده میانگین اندازه نانوذرات 04/30 نانومتر مشخص گردید (6). در یک آزمایش دیگر که توسط گیاه Mikania mikrantha انجام گرفت مشخص شد که نانوذرات سنتز شده به طور میانگین دارای ابعاد 27/20 نانومتر بودهاند (65). بدین ترتیب میتوان گفت قطر نانو ذرات آهن به دست آمده در این مطالعه نسبت به سایر مطالعات انجام شده، مشابه و به طور نسبی از اندازه مطلوبی برخوردار است.
یکی از دلایل اصلی تفاوت در شکل واندازه نانوذرات سنتز
شده غلظتهای مختلف عصاره گیاهی مورد استفاده میباشد (4). تعیین غلظت بهینه برای هرگیاه و هر نانوذرهای میتواند در تولید و سنتز حداکثری و اقتصادی نانوذرات بسیار مفید و تأثیر گذار باشد. علاوه بر این، نوع ترکیبات موجود در عصارههای گیاهی مختلف، بسته به نوع گیاه استفاده شده در سنتز سبز نانوذرات متفاوت می باشد و آشکار است که این موضوع باعث تغییر در شکل، اندازه و میزان تولید نانوذرات میشود. وجود گروههای عاملی فنولی و حلقه آروماتیک پلی فنولی در عصاره گیاهی، تایید کننده این امر است که نانو ذرات اکسید آهن در پوششی از مواد مؤثره گیاه رسوب میکند (32).
در این پژوهش عصاره اندام هوایی گیاه تلخه به عنوان عامل احیا کننده در تولید نانو ذره نقش داشته و در این برهمکنش، فلاونوئید موجود در عصاره گیاه عمل احیاء را انجام داده که تشکیل آن با دستگاه پراش اشعه ایکس (XRD) به تأیید رسید. وجود پیکهای پهن موجود در الگوی XRD نشان دهنده سایز کم نانوذرات سنتز شده میباشد (24 و 35). همچنین موقعیتها و شدت نسبی پیکهای XRD نانوذرات آهن در این پژوهش با نمونههای استاندارد سنتز نانوذرات آهن برابری میکند (57 و 61). اطلاعات آنالیز XRD در این آزمایش نشان میدهد که تأثیر عصاره بر ساختار کریستالی نمونهها ناچیز بوده است. همچنین در آزمایشی که توشط گیاه Mikania mikrantha انجام گرفت مشخص شد که نانوذرات آهن سنتز شده دارای ساختار کریستالی مکعبی هستند و با مرجع JCPDS به شماره 1610-75 مطابقت دارند (65).
طیف سنجی FTIR زیست مولکولهای موجود در عصاره و درگیر در سنتز را نشان داد که تأیید کننده روند سنتز سبز نانوذرات آهن میباشد (61). در طیف FTIR حاصل از نانوذرات آهن سنتز شده با عصاره گیاه تلخه و عصاره خالص گیاه تلخه وجود گروههای عاملی تأیید کننده وجود و حضور ترکیبات مؤثره آنتی اکسیدانی مانند فنلها و فلاوونوئیدهای موجود در عصاره گیاه مورد استفاده میباشد. بر این اساس شرکت و دخالت ترکیبات فنولی گیاه در سنتز نانوذرات آهن کاملاً به وضوح مشاهده و درک میشود (6 و 31). پیک جذبی که در محدوده cm-1490 تا cm-1600 وجود دارد تأیید کننده تشکیل نانوذرات آهن میباشد (51 و61). بنابراین طبق طیف سنجی FT-IR میتوان ادعا کرد که ترکیبات پلی فنولی موجود در عصاره به عنوان عامل کاهنده یون فلز آهن، تبدیل آن به نانو ذره و پایدارکننده نانوذرات ایفای نقش میکنند، همچنین به عنوان عامل کمپلکس کننده موجب سنتز نانوذرات مگنتیت آهن میشوند (21 و 22). در مطالعهای نانوذرات آهن با استفاده از عصاره گیاه نعنا (Mentha longifolia L.) سنتز شدند که با توجه به طیف FTIR حاصل، وجود گروههای عاملی فنولی و حلقه آروماتیک پلی فنولی در نمودار مؤید این امر بود که نانوذرات آهن در پوششی از مواد مؤثره گیاه رسوب کرده است (6). در مطالعه دیگر که توسط گیاه Mikania mikrantha صورت گرفت وجود پیک جدید و کوچک در محدوده cm-1585 تا cm-1 626 نشان دهنده سنتزسبز نانوذرات آهن با عصاره گیاه مورد مطالعه بود (65). در آزمایش دیگر پیکهای جذبی که در محدوده 467 تا 541 وجود دارد نشان دهنده سنتز سبز نانوذرات اکسید آهن با عصارهی گیاه Mikania mikrantha بود (31).
رفتار مغناطیسی نانوذرات سنتز شده توسط دستگاه VSM اندازه گیری گردید. منحنی مغناطیسی حاصل نشان میدهد که شکل سیگموئیدی نمودارها ناشی از رفتار سوپرپارامغناطیس ذرات سنتز شده در دمای اتاق است (20، 39 و 58). مطابق نمودارهای به دست آمده مغناطیس پذیری نانوذرات آهن سنتز شده با عصاره تلخه نسبت به نانوذرات خالص آهن کاهش پیدا کرد، که این کاهش خاصیت مغناطیسی به دلیل وجود پوشش غیرمغناطیسی ناشی از اتصال عامل عصاره گیاهی بر روی سطح نانوذرات مغناطیسی Fe3O4 میباشد (31 و 51). با این وجود نانوذرات تولیدی همچنان دارای خاصیت مغناطیسی کافی است که بتوان به راحتی با استفاده از یک میدان مغناطیسی از محلول جدا نمود. در یک آزمایش که نانوذرات اکسید آهن توسط گیاه Mikania mikrantha سنتز شد مشخص گردید که مغناطیس پذیری نانوذرات اکسید آهن emu g-150/60 میباشد. همچنین نانوذرات مگنتیک سنتز شده در دمای اتاق سوپرپارامغناطیس هستند (65).
به طور کلی مزیت تولید نانو ذرات به روش سبز، بر سایر روشهای زیستی و شیمیایی، بی خطر بودن و همچنین قابلیت بالای گیاهان است که بسیار قابل اعتمادتر و سالمتر از باکتری، قارچ و مخمر برای تولید نانوذرات میباشد (19 و 34). پیش بینی میشود که سنتز سبز نانوذرات آهن در زمینههای مختلف برنامههای کاربردی به خصوص در پزشکی و کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد (61). در پژوهش حاضر، تولید و سنتز نانو ذرات اکسید آهن توسط عصاره زیست توده اندامهای هوایی گیاه تلخه توسط آنالیزهای توزین حرارت، سنجش مغناطیسی نمونه ارتعاشی، طیف سنجی مادون قرمز، میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس به اثبات رسید و مشخص شد که گیاه تلخه توانایی بیوسنتز نانوذرات اکسید آهن را دارا میباشد.