Nghiên ứu chế tạo fe3o4 chitonsan định hướng ứng dụng xử lý môi trường và làm vật liệu y sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI …………… BÙI ĐÌNH LONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO Fe3O4 - CHITOSAN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ LÀM VẬT LIỆU Y SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà nội - Năm 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113894331000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI …………… BÙI ĐÌNH LONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO Fe3O4 – CHITOSAN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ LÀM VẬT LIỆU Y SINH Chuyên ngành : Hóa Cơ Bản LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC Người hướng dẫn khoa học : TS Trần Đại Lâm Hà nội - Năm 2009 Nghiên cứu chế tạo Fe 3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh Lời cảm ơn Bằng lòng trân trọng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn TS Trần Đại Lâm giúp đỡ em tận tình, chu đáo đầy tâm huyết suốt trình thực luận văn Luận văn thực Bộ mơn Hố Vơ Đại cương, Khoa Cơng nghệ Hố học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phòng Vật liệu Nano Y sinh, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô mơn Hố vơ đại cương, Thầy, Cơ Khoa Cơng nghệ hố học, Trung tâm sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Xuân Phúc, PGS.TS Lê Văn Hồng, PGS.TS Phạm Gia Điền, PGS.TS Nguyễn Thị Q Thầy, Cơ, bạn đồng nghiệp Phòng Vật liệu nano y sinh Phòng vật liệu Từ-Siêu dẫn- Viện Khoa học Vật liệu, Phịng Cơng nghệ hoạt chất sinh học- Viện Hóa học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam; Khoa Sinh học- Trường ĐH KHTN, ĐHQG Hà Nội tạo điều kiện tối đa để em hoàn thành phần thực nghiệm tổng hợp, đặc trưng thử nghiệm hoạt tính sinh học vật liệu cho luận văn Em xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình cổ vũ, động viên giúp đỡ em suốt trình học tập thực luận văn Hà Nội, tháng 10 năm 2009 Nguời thực luận văn Bùi Đình Long LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG Nghiên cứu chế tạo Fe 3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tính chất Fe 3O4 1.1.1 Cấu trúc tinh thể Fe3 O4 1.1.2 Tính chất vật lý 1.1.2.1 Vật liệu nghịch từ… 1.1.2.2 Vật liệu thuận từ 1.1.2.3 Vật liệu phản sắt từ 1.1.2.4 Vật liệu feri từ 1.1.2.5 Vật liệu sắt từ 1.1.3 Ảnh hưởng kích thước hạt đến tính chất 1.1.4 Một số phương pháp tổng hợp hạt nano oxit sắt từ 1.1.4.1 Phương pháp từ xuống (top- down) 1.1.4.2 Phương pháp từ lên (bottom- up) 10 1.1.4.3 Phương pháp sinh học .17 1.1.5 Ứng dụng 18 1.1.5.1 Ứng dụng để xử lý môi trường 18 1.1.5.2 Ứng dụng làm vật liệu y sinh 19 1.2 Giới thiệu Chitosan 23 1.2.1 Nguồn gốc Chitosan (CS) 23 1.2.2 Cấu trúc tính chất CT/CS 23 1.2.2.1 Tính chất vật lý .24 1.2.2.2 Tính chất hóa học 24 1.2.2.3 Khả hấp phụ tạo phức với ion kim loại chuyển tiếp chitin/chitosan 25 1.2.2.4 Một số ứng dụng CT/CS dẫn xuất 26 1.3 Giới thiệu Curcumin 29 1.3.1 Nguồn gốc, số tính chất lý, hóa Cucurmin 29 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG Nghiên cứu chế tạo Fe 3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh 1.3.2 Hoạt tính sinh học số ứng dụng Curcumin 30 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HẤP PHỤ TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG 31 2.1 Khái niệm hấp phụ 31 2.2 Quy luật chung trình hấp phụ 32 2.3 Đẳng nhiệt trình hấp phụ 32 2.3.1 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir 32 2.3.2 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 34 2.4 Động học nhiệt động học trình hấp phụ 35 2.4.1 Động học trình hấp phụ 35 2.4.2 Nhiệt động học trình hấp phụ 36 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .37 3.1 Thực nghiệm chế tạo mẫu 37 3.1.1 Hóa chất dụng cụ 38 3.1.2 Điều chế nano oxit sắt từ 38 3.1.3 Điều chế nanocomposit chitosan-oxit sắt từ làm mẫu hấp phụ xử lý môi trường y sinh học 38 3.1.3.1 Nghiên cứu khả hấp phụ 40 3.1.3.2 Hấp phụ 41 3.1.4 Điều chế nanocomposit chitosan-oxit sắt từ-cucurmin ứng dụng y sinh học 42 3.2 Các phương pháp nghiên cứu 43 3.2.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 43 3.2.2 Các phép đo đường cong từ hóa, đường cong ZFC 44 3.2.3 Phổ phân tán lượng tia X (EDX) 46 3.2.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR 46 3.2.5 Hiển vi điện tử quét (SEM) 47 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG Nghiên cứu chế tạo Fe 3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh 3.2.6 Kính hiển vi điển tử truyền qua (TEM) 49 3.2.7 Máy quang phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis 50 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 4.1 Mẫu thí nghiệm 51 4.1.1 Ảnh mẫu thí nghiệm 51 4.1.2 So sánh phương pháp điều chế 51 4.2 Phổ XRD mẫu 52 4.3 Đường cong từ hoá mẫu 55 4.4 Phổ IR 56 4.5 TEM đặc trưng 58 4.6 Ảnh SEM 60 4.7 Phổ tán xạ lượng tia X (EDX) vật liệu 62 4.8 Composit chitosan-oxit sắt từ hấp phụ ion kim loại Ni2+ 64 4.8.1 Xác định điều kiện ảnh hưởng đến khả hấp phụ Ni2+ 64 4.8.1.1 Xác định thời gian cân ……….………………….… 64 4.8.1.2 Xác định ảnh hưởng pH …… ………………….…… … … 67 4.8.1.3 Nhiệt động học trình hấp phụ ……… … ….….… 67 4.8.1.4 Xác định ảnh hưởng khối lượng hấp phụ … ……… … 68 4.8.2 Động học trình hấp phụ ………………… .………… … 69 4.8.2.1 Phương trình bậc biểu kiến ………….………… … … 69 4.8.2.2 Phương trình bậc …………………….…………… ……….… 71 4.9 Những kết bước đầu phát triển ứng dụng Chitosan-Fe3O4 làm chất mang thuốc 72 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG Nghiên cứu chế tạo Fe3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh MỞ ĐẦU Khoa học công nghệ nano vào sống với tốc độ ngày nhanh nhờ tính chất đặc biệt vật liệu nano Các đặc tính vật liệu nano chia thành hai loại: đặc tính có liên quan đến hiệu ứng bề mặt đặc tính có liên quan đến kích thước Hiệu ứng bề mặt xảy kích thước nào, nhiên, kích thước nano hiệu ứng bề mặt trở nên đáng kể Kích thước vật liệu nano làm cho vật liệu trở nên kì lạ nhiều so với vật liệu truyền thống Đối với vật liệu, tính chất vật liệu có kích thước đặc trưng Kích thước đặc trưng nhiều tính chất vật liệu rơi vào kích thước nm [14, 17, 18] Chúng ta biết rằng, Oxit sắt từ vật liệu từ tính quen thuộc phổ biến công nghiệp đời sống thường ngày Oxit sắt từ dạng hạt (cỡ µm ) ứng dụng nhiều công nghệ sơn, chất màu, chất độn… Ngày nay, công nghệ nano lĩnh vực nghiên cứu thu hút quan tâm nhà khoa học giới, oxit sắt từ kích thước nano ứng dụng sinh học chủ đề nóng bỏng thu hút quan tâm đặc biệt nhà khoa học nước khả ứng dụng rộng rãi chúng Khả ứng dụng phong phú hạt nano từ tính sinh học số nguyên nhân Thứ nhất, kích thước hạt nano gần với kích thước thực thể sinh học, điều làm chúng dễ dàng tiếp cận mà không gây thay đổi lớn hoạt động thực thể sinh học Thứ hai, hạt nano có diện tích bề mặt lớn làm tăng khả liên kết chúng với thực thể sinh học Thứ ba, hạt nano có từ tính nên dùng từ trường mà tác động lên thực thể sinh học thơng qua “cầu nối” hạt nano từ tính Vật liệu lai (hybrid) polyme hạt oxit sắt từ nhận quan tâm đặc biệt lớn tiềm ứng dụng cho y sinh xử lý môi trường Một số phương pháp chế tạo vật liệu lai tạo chitosan-oxit sắt chẳng hạn phương pháp trộn lẫn học, sử dụng polymer dạng gel làm khung LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG Nghiên cứu chế tạo Fe3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh phương pháp đồng kết tủa Các phương pháp cổ truyền điều chế composit oxit sắt từ- CS đồng kết tủa hợp thức ion Fe2+ Fe 3+ có mặt polyme với dung dịch NaOH hay NH3 Sự phân tán đồng hạt nano oxit sắt từ với định hướng cấu trúc chất polyme vấn đề chìa khóa cho hiệu suất cao hợp chất lai Mục tiêu nghiên cứu điều chế nanocomposit Fe3O4-CS điều chế nanocomposit Fe3O4-CS với chất vô phân tán đồng chất chitosan, sử dụng phương pháp biến tính composit, ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh Trên giới, lĩnh vực ứng dụng từ học nano sinh học nghiên cứu từ nhiều năm thu nhiều kết Các cơng trình chủ yếu nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính như: dẫn truyền thuốc, tăng thân nhiệt cục điều trị bệnh ung thư, phân tách tế bào, tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ [12]… Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng hạt nanô từ tính xử lý mơi trường vật liệu y sinh học tiến hành số phịng thí nghiệm bước ban đầu Trên sở thấy rõ khả ứng dụng to lớn lĩnh vực phù hợp với điều kiện nước, tơi nghiên cứu đề tài : ‘‘Nghiên cứu chế tạo Fe3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh ’’ Luận văn chia làm chương: Chương : Tổng quan Chương : Lý thuyết chung hấp phụ xử lý môi trường Chương : Thực nghiệm phương pháp nghiên cứu Chương : Kết thảo luận LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG Nghiên cứu chế tạo Fe3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tính chất Fe 3O 1.1.1 Cấu trúc tinh thể Fe 3O Oxít sắt từ có cơng thức Fe 3O4 vật liệu từ tính mà người biết đến Từ kỷ thứ tư người trung Quốc khám phá Fe 3O tìm thấy khống vật tự nhiên có khả định hướng dọc theo phương Bắc - Nam địa lý Đến kỷ mười hai họ sử dụng vật liệu Fe 3O4 để làm la bàn, công cụ giúp xác định phương hướng có ích [12] Trong tự nhiên oxít sắt từ khơng tìm thấy khống vật mà cịn tìm thấy thể sinh vật : vi khuẩn Aquaspirillum magnetotacticum, ong, mối, chim bồ câu [7] Chính có mặt Fe3O4 thể sinh vật tạo nên khả xác định phương hướng mang tính chúng Oxit sắt từ có cơng thức phân tử Fe 3O4 xếp vào nhóm vật liệu ferit có cơng thức tổng qt MO.Fe2O3 có cấu trúc spinel, M ion hố trị kim loại như: Fe, Ni, Co, Mn, Mg Cu Trong loại vật liệu ferit ion oxy có bán kính khoảng 1,32A0 lớn nhiều bán kính ion kim loại (0,6 ÷ 0,8A 0) nên chúng nằm sát xếp thành mạng lưới có cấu trúc lập phương tâm mặt xếp chặt [2] Trong mạng ferit có loại lỗ hổng: loại thứ lỗ hổng tứ diện (nhóm A) giới hạn bốn ion oxy, loại thứ hai lỗ hổng bát diện (nhóm B) giới hạn sáu ion oxy Các ion kim loại M2+ Fe3+ nằm lỗ hổng tạo nên hai dạng cấu trúc spinel nhóm vật liệu ferit Trong dạng thứ nhất, toàn ion M2+ nằm vị trí A cịn tồn ion Fe3+ nằm vị trí B Cấu trúc đảm bảo hố trị ngun tử kim loại số ion oxy bao quanh ion Fe3+ M2+ có tỷ số 3/2 nên gọi spinel thuận Cấu trúc tìm thấy ferit ZnO.Fe 2O3 Dạng thứ hai thường gặp gọi cấu trúc spinel đảo Trong cấu trúc spinel đảo nửa ion Fe3+ toàn ion M2+ nằm vị trí B, số ion Fe3+ cịn lại nằm vị trí A Oxít sắt từ Fe3O4 ≡ FeO.Fe 2O3 ferit có LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG Nghiên cứu chế tạo Fe3O4-Chitosan định hướng ứng dụng xử lý môi trường làm vật liệu y sinh cấu trúc spinel đảo điển hình Cấu trúc spinel Fe 3O4 minh hoạ hình 1.1 Chính cấu trúc spinel đảo định tính chất từ Fe 3O4, tính chất feri từ Mô men từ ion kim loại hai phân mạng A B phân bố phản song song điều giải thích nhờ phụ thuộc góc tương tác siêu trao đổi: góc AOB = 125 9′, góc AOA = 79038′, góc BOB = 900 tương tác phản sắt từ A B mạnh [1, 3] Vị trí tứ diện Ơxi Vị trí bát diện Vị trí bát diện Fe 3+ Vị trí tứ diện Hình 1.1: Cấu trúc spinel Fe 3O (Fe 2,5+ Fe 2+ Fe3+ vị trí bát diện) Fe3+(3d5 ) Fe2+(3d6 ) Fe3+(3d5) Hình 1.2: Cấu hình spin Fe 3O4 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC BÙI ĐÌNH LONG