Nghiên cứu Đặc tính hấp phụ dược phẩm trên vật liệu nano oxit kim loại với các thành phần pha khác nhau và Được biến tính bề mặt bằng protein

Nghiên cứu Đặc tính hấp phụ dược phẩm trên vật liệu nano oxit kim loại với các thành phần pha khác nhau và Được biến tính bề mặt bằng protein

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VÀ ĐƯỢC BIẾN TÍNH BỀ MẶT BẰNG PROTEIN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

VŨ THỊ NGẦN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH HẤP PHỤ DƯỢC PHẨM

TRÊN VẬT LIỆU NANO OXIT KIM LOẠI VỚI CÁC THÀNH PHẦN PHA KHÁC NHAU

VÀ ĐƯỢC BIẾN TÍNH BỀ MẶT BẰNG PROTEIN

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 8440112.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Tiến Đức

Hà Nội - Năm 2023

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Tiến Đức đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo để em hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và cán bộ trong bộ môn Hóa Phân Tích

và khoa Hóa trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ

em trong quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn các anh, chị, em và các bạn trong phòng thí nghiệm

bộ môn Hóa Phân Tích đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên em trong thời gian học tập và thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF) – Viện nghiên cứu dữ liệu lớn (VNCDLL) đã tài trợ học bổng để tôi có kinh phí học tập, tập trung sức lực vào nghiên cứu, hoàn thành kết quả của luận văn

Nghiên cứu thực hiện trong luận văn thạc sĩ này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.22.75

Hà Nội, tháng 6 năm 2023

Học viên

Vũ Thị Ngần

1.1 Giới thiệu kháng sinh họ Fluoroquinolone 3

1.1.1 Giới thiệu kháng sinh Ciprofloxacin 4

1.1.2 Giới thiệu kháng sinh Levofloxacin 3

1.2 Các phương pháp phân tích kháng sinh 4

1.2.1 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) 4

1.2.2 Phương pháp phổ huỳnh quang phân tử 5

1.2.3 Phương pháp phân tích điện hóa 6

1.2.4 Phương pháp điện di mao quản 7

1.2.5 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) 7

1.3 Một số phương pháp xử lý kháng sinh trong nước và nước thải 8

1.3.4.3 Mô hình 2 bước hấp phụ 11

1.3.5 Động học hấp phụ 12

1.4 Giới thiệu protein và ứng dụng 13

1.4.1 Giới thiệu chung về về protein 13

1.4.2.1 Giới thiệu protein hạt chùm ngây 14

1.4.2.2 Ứng dụng protein hạt chùm ngây 15

1.4.3 Giới thiệu về protein lysozyme và ứng dụng 15

1.4.3.1 Giới thiệu protein lysozyme lòng trắng trứng gà 15

1.4.3.2 Ứng dụng của protein lysozyme lòng trắng trứng gà 16

1.5 Giới thiệu các loại vật liệu nano oxit 16

1.5.1 Giới thiệu vật liệu oxit nhôm 16

1.5.2 Ứng dụng của oxit nhôm 17

1.5.2.1 Ứng dụng trong kỹ thuật môi trường 17

1.5.2.2 Ứng dụng trong y học 17

1.5.5 Giới thiệu vật liệu nanosilica từ vỏ trấu 18

1.6 Giới thiệu vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 19

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 21

2.2 Nội dung nghiên cứu 21

2.3 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 21

2.3.1 Hóa chất, pha chế 21

2.3.2 Dụng cụ 22

2.3.3 Thiết bị…… 22

2.4 Phương pháp nghiên cứu 23

2.4.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 23

2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ Ronwghen (XRD) 24

2.4.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR 24

2.4.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 24

2.4.5 Phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite Al2O2/SiO2 25

2.4.6 Phương pháp biến tính vật liệu nanosilica bằng protein 25

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Đặc trưng của vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 29

3.1.1 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen 29

3.3.4 Ảnh hưởng của lực ion 43

3.8 Khảo sát khả năng tái sử dụng vật liệu hấp phụ sau khi xử lý kháng sinh ……54

3.9 So sánh dung lượng hấp phụ LFX và CFX trên các vật liệu khác nhau ……55

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 67

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chromatography

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

spectroscopy

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

lysozyme

Kính hiển vi điện tử truyền qua

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của kháng sinh Ciprofloxacin 3

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của kháng sinh Levofloxacin 4

Hình 3.1 Giản đồ XRD của vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 29

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 30

Hình 3.3 Ảnh TEM của vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 31

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ protein hạt chùm ngây (hình A) và lysozyme (hình B) trên nanosilica 32

Hình 3.5 Ảnh hưởng của lực ion đến khả năng hấp phụ protein chùm ngây (hình A) và lysozyme (hình B) trên nanosilica 33

Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian đẳng nhiệt của protein chùm ngây (hình A) và lysozyme (hình B) trên nanosilica tại các nồng độ KCl khác nhau……… 34

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý kháng sinh LFX sử dụng vật liệu LMNS (hình A), và ProMNS (hình B) 36

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý CFX trên vật liệu Al2O3/SiO2 …37

Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ tới hiệu suất xử lý kháng sinh LFX trên LMNS (hình A) và ProMNS (hình B) 38

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất xử lý CFX trên vật liệu Al2O3/SiO2 40

Hình 3.11 Ảnh hưởng của lượng vật liệu tới hiệu suất xử lý kháng sinh LFX trên LMNS (hình A) và ProMNS (hình B) 41

Hình 3.12 Ảnh hưởng của lượng vật liệu đến hiệu suất xử lý kháng sinh CFX trên vật liệu Al2O3/SiO2 42

Hình 3.13 Ảnh hưởng của lực ion tới hiệu suất xử lý kháng sinh LFX trên LMNS (hình

A) và ProMNS (hình B) 43 Hình 3.14 Ảnh hưởng của lực ion tới hiệu suất xử lý CFX trên Al2O3/SiO2 44

Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ LFX trên LMNS (hình A) và ProMNS (hình

B) 45

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn động học giả bậc 2 của LFX lên LMNS (hình A) và ProMNS

(hình B) 48 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn động học giả bậc 2 của CFX trên Al2O3/SiO2 50

Hình 3.18 Thế zeta của vật liệu nanosilica trước và sau khi hấp phụ protein và

Al2O3/SiO2 hấp phụ CFX (hình B) 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Các thông số cho các mô hình hấp phụ protein trên nanosilica 35

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của pH lên khả năng loại bỏ LFX khi sử dụng vật liệu LMNS và ProMNS 36

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của pH lên khả năng loại bỏ CFX trên Al2O3/SiO2 37

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất xử lý kháng sinh LFX trên LMNS và ProMNS 38

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ tới hiệu suất xử lý CFX trên Al2O3/SiO2….39 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của lượng vật liệu tới hiệu suất xử lý kháng sinh LFX trên LMNS và ProMNS 41

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của lượng vật liệu tới hiệu suất xử lý CFX trên Al2O3/SiO2……42

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của lực ion tới hiệu suất xử lý kháng sinh LFX……….…43

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của lực ion tới hiệu suất xử lý kháng sinh CFX……….……… 44

Bảng 3.10 Các thông số hấp phụ đẳng nhiệt của LFX trên LMNS và ProMNS 46

Bảng 3.11 Các thông số hấp phụ đẳng nhiệt CFX tại các nồng độ KCl khác nhau 47

Bảng 3.12 Các thông số mô hình động học hấp phụ LFX trên LMNS và ProMNS 49

Bảng 3.13 Các thông số mô hình động học hấp phụ của CFX trên Al2O3/SiO2 50

Bảng 3.14 Dung lượng hấp phụ của CFX và LFX trên các vật liệu khác nhau 56

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh đang là vấn đề nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và động vật trên toàn cầu Kháng thuốc kháng sinh đang gia tăng đến mức độ nguy hiểm, đặc biệt ở các nước đang phát triển [76] Tồn dư kháng sinh trong môi trường nước là một trong những nguyên nhân gây ra tình trạng kháng kháng sinh Fluoroquinolon (FQs) là nhóm kháng sinh với phổ kháng khuẩn rộng và được sử dụng rộng rãi để điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn gây ra [23] Ciprofloxacin (CFX) và Levofloxacin (LFX) là những kháng sinh thuộc thế hệ thứ hai và thứ ba trong

họ kháng sinh FQs được sử dụng phổ biến Kháng sinh CFX và LFX có hiệu năng tốt

cả với vi khuẩn gram dương và gram âm, cũng như hiệu quả hấp thụ thuốc qua đường miệng rất cao nên được sử dụng nhiều trong điều trị tại bệnh viện Tuy nhiên, nguy cơ các vi khuẩn mang gen kháng kháng sinh đối với CFX và LFX ngày càng tăng do dư lượng hai kháng sinh này trong môi trường nước cao Do đó, việc loại bỏ (xử lý) kháng sinh ra khỏi môi trường nước đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm Hiện nay, có một số phương pháp được nghiên cứu để loại bỏ kháng sinh như hấp phụ [27], phân hủy quang xúc tác, oxi hóa nâng cao [33], Trong đó, hấp phụ là một trong những phương pháp mang lại hiệu quả cao và phù hợp với các nước đang phát triển khi sử dụng vật liệu giá thành rẻ [2]

Vỏ trấu là nguồn phụ phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam, vì vậy chất hấp phụ nanosilica chiếm tỉ lệ cao về khối lượng trong vỏ trấu có thể được chế tạo bằng các phương pháp đơn giản với chi phí thấp [65] Tuy nhiên, nanosilica chế tạo từ vỏ trấu có

bề mặt mang điện tích âm với tỉ trọng điện tích nhỏ, nên khả năng loại bỏ kháng sinh trực tiếp không cao Vì vậy, việc điều chỉnh điện tích bề mặt nanosilica là cần thiết để tăng cường hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm tích điện Protein được tách chiết từ hạt chùm ngây và protein lysozyme từ lòng trắng trứng gà được áp dụng để biến tính bề mặt chất hấp phụ trong nghiên cứu này Protein từ hạt chùm ngây là protein tự nhiên có nguồn gốc thực vật, chứa các axit amin thân thiện với môi trường, an toàn với sức khỏe trong khi đó protein lysozyme từ lòng trắng trứng gà là một trong những loại protein từ

động vật phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu với nhiều ưu điểm nổi bật như giá thành rẻ, dễ tiếp cận, dễ tinh chế và tổng hợp đơn giản

Trong số các oxit kim loại cơ bản, vật liệu nano nhôm oxit (Al2O3) là loại oxit phổ biến, có độ bền cao, dễ dàng tổng hợp Nhiều nghiên cứu đã sử dụng nano-Al2O3

để hấp phụ loại bỏ các hợp chất ô nhiễm do đặc tính bề mặt điện tích bề mặt với tỉ trọng cao Kết hợp protein với nanosilica và nano-Al2O3 với nanosilica để tạo thành vật liệu hấp phụ tiềm năng để xử lý chất độc hại, tồn dư dược phẩm trong nước đang là hướng nghiên cứu được quan tâm Một nghiên cứu hệ thống về việc xử lý các loại kháng sinh khác nhau bằng vật liệu hấp phụ nanosilica với sự biến tính bề mặt bằng protein và nanosilica được phủ nano- Al2O3 chưa được nghiên cứu trong và ngoài nước

Do đó, luận văn này tập trung vào: “Nghiên cứu đặc tính hấp phụ dược phẩm

trên vật liệu nano oxit kim loại với các thành phần pha khác nhau và được biến tính bề mặt bằng protein”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu kháng sinh họ Fluoroquinolone

1.1.1 Giới thiệu kháng sinh Ciprofloxacin

Ciprofloxacin (CFX) là kháng sinh thế hệ thứ hai thuộc nhóm Fluoroquinolone (FQs) Kháng sinh CFX có phổ kháng khuẩn rộng và hiệu quả điều trị tốt trên cả vi khuẩn gram âm và gram dương [79] Kháng sinh CFX cũng có thể tạo ra sự cộng hưởng với các nhóm kháng sinh khác như beta-lactam hoặc aminoglycosid có hiệu suất rất cao trong điều trị bệnh Công thức phân tử của kháng sinh CFX là C17H18FN3O3 với khối lượng phân tử là 331,346 g /mol Công thức cấu tạo của CFX được thể hiện trong Hình 1.1

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của kháng sinh Ciprofloxacin

1.1.2 Giới thiệu kháng sinh Levofloxacin

Levofloxacin (LFX) là kháng sinh thế hệ thứ ba thuộc họ FQs với phổ kháng khuẩn rộng, Levofloxacin có tác dụng điều trị ký sinh trùng, chống nhiễm trùng Kháng sinh LFX có công thức hóa học là C18H20FN3O4, khối lượng phân tử là 361,368 g/mol Kháng sinh LFX ở dạng tinh khiết là tinh thể màu vàng nhạt, thời gian bán hủy là từ 6 đến 8 giờ, tan chảy ở 228,6oC Trong công thức cấu trúc LFX có khung quinolone, nhân quinolone, độ axit yếu với pKa1 = 6,02 và pKa2 = 8,15 [26] Công thức cấu tạo của LFX được thể hiện trong Hình 1.2

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của kháng sinh Levofloxacin

1.1.3 Thực trạng kháng thuốc kháng sinh họ Fluoroquinolone

Hiện nay, nhóm kháng sinh Fluoroquinolones (FQs) tồn dư trong môi trường và nổi lên như một chất gây ô nhiễm chính FQs là kháng sinh phổ rộng, rất quan trọng được sử dụng để điều trị các bệnh gây bệnh khác nhau cho người và động vật [23] Các FQs được biết đến và sử dụng nhiều nhất là Ciprofloxacin, Norfloxacin, Ofloxacin, Levofloxacin Sau khi sử dụng cho người và động vật, khoảng 70% các loại thuốc này được bài tiết ra môi trường ở dạng không phân hủy [26] Bên cạnh đó, nước thải từ các ngành công nghiệp dược phẩm, bệnh viện và dòng chảy nông nghiệp là nguyên nhân chính góp phần tích tụ FQs vào hệ sinh thái Sự hiện diện lâu dài của chúng trong môi trường làm xuất hiện vi khuẩn đa kháng thuốc Ngoài tác hại kháng thuốc, các loại kháng sinh này còn gây ra các tác động độc tính sinh thái đối với các loài động vật và thực vật khác nhau Sự hiện diện của nguyên tử Flo (F) trong Fluoroquinolones làm cho chúng

có độ âm điện cao, mạnh, khó tính và ít tương thích với sự phân hủy của vi sinh vật Kháng sinh họ Fluoroquinolone được phát hiện trong nước thải với nồng độ báo cáo từ 0,01 đến 31000 μg/L Hàng năm, có khoảng 700.000 ca tử vong do nhiễm trùng kháng thuốc [33] Khả năng kháng thuốc của Escherichia coli đối với Ciprofloxacin và Levofloxacin thường được sử dụng để điều trị nhiễm trùng đường tiết niệu tăng tỷ lệ thuận với việc sử dụng quinolone [30]

1.2 Các phương pháp phân tích kháng sinh

1.2.1.Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis)

Quang phổ hấp thụ phân tử là phép đo liên quan đến sự giảm cường độ của chùm ánh sáng sau khi ánh sáng đi qua hoặc truyền qua mẫu phân tử chất có khả năng tương tác hấp thụ ánh sáng Nguyên tắc xác định dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch có khả năng hấp thụ ánh sáng trực tiếp trong vùng tử ngoại (UV) và khả kiến (Vis) hoặc phức tạp hơn là hình thành giữa các ion được xác định và thuốc thử vô cơ hoặc hữu cơ trong môi trường thích hợp để tạo ra một phức hợp có khả năng hấp thụ ánh sáng thích hợp Các phép đo độ hấp thụ quang tối ưu để phân tích định lượng được xác định tại một bước sóng duy nhất được gọi là cực đại hấp thụ Nồng độ của chất phân tích trong dung dịch có thể được xác định bằng cách đo độ hấp thụ ở bước sóng cực đại

và áp dụng định luật Lambert Beer

Zhengwei Zhou và các cộng sự [88] đã phát triển kĩ thuật chiết pha rắn (SPE) kết hợp với phương pháp UV-Vis để xác định nồng độ kháng sinh CFX Sau khi sử dụng SPE để làm giàu CFX trong mẫu nước thải, tiến hành rửa giải và phân tích bằng phương pháp UV-Vis ở bước sóng 280nm Kết quả cho khoảng tuyến tính và có hệ số tương quan tốt, độ thu hồi cao 99,4 ± 11,8%

Tác giả VN Desai và các cộng sự [17] đã sử dụng phương pháp UV-Vis để xác định hàm lượng LFX trong mẫu thuốc ở bước sóng 290nm Phương pháp cho khoảng tuyến tính 0,25 – 12,0 mg/L với các hệ số tương quan rất tốt R2 = 0,9999, độ thu hồi là 98,7% Khi áp dụng phân tích 2 mẫu thuốc trên thị trường, độ thu hồi của LFX thu được

là 99,69 ± 2,38 và 102,65 ± 3,64%

1.2.2.Phương pháp phổ huỳnh quang phân tử

Một phân tử chất khi hấp thụ một năng lượng thích hợp từ bức xạ ánh sáng sẽ làm kích thích hệ electron của phân tử Khi ở trạng thái kích thích, phân tử chỉ tồn tại ≤ 10-8giây, sau đó lập tức trở về trạng thái cơ bản ban đầu và giải phóng năng lượng đã hấp thụ Nếu năng lượng giải phóng được phát ra dưới dạng bức xạ thì gọi là hiện tượng phát quang hay huỳnh quang Các phương pháp phát quang có thể dùng xác định các kháng sinh họ FQs với độ nhạy khá cao dựa trên đặc tính tạo phức với ion kim loại hay phản ứng quang hóa của các FQs

Alok Bhandari và các cộng sự [8] đã sử dụng phương pháp phổ huỳnh quang để xác định nồng độ của CFX trong mẫu nước thải của một nhà máy xử lý nước thải ở Hoa

Kỳ Phương pháp được đề xuất dựa trên việc sử dụng phức CFX-protein được đánh dấu bằng thuốc nhuộm huỳnh quang Kết quả phân tích thu được nồng độ CFX trong mẫu nước là 0,59 µg/L

Kết hợp phản ứng quang hóa và phương pháp dòng chảy để xác định LFX trong dược phẩm bằng phản ứng của LFX với N,N-dimethyl-p- phenylenediamine trong hệ luminol và môi trường kiềm NH4OH, kết quả thu được bước sóng hấp thụ cực đại λmax

= 660 nm, khoảng tuyến tính 2- 40 μg/mL, giới hạn phát hiện là 0,637 μg/mL [9]

1.2.3.Phương pháp phân tích điện hóa

Các phương pháp phân tích điện hóa dựa vào phản ứng trên bề mặt điện cực liên quan tới chất phân tích, bao gồm bốn phương pháp cơ bản là: phương pháp điện thế, phương pháp điện phân và điện lượng, phương pháp đo độ dẫn điện và phương pháp

cực phổ hoặc vôn-ampe Một số kỹ thuật phân tích điện hóa được ứng dụng để xác định

các hợp chất hữu cơ như vôn ampe sóng vuông, vôn-ampe hòa tan hấp phụ Ưu điểm của các kỹ thuật này là có độ nhạy khá cao, cho phép xác định chất ở hàm lượng nhỏ, thời gian phân tích ngắn Tuy nhiên, nhược điểm của các phương pháp phân tích điện hóa là độ chọn lọc thường không cao nếu không chọn được thuốc thử hoặc phản ứng điện hóa đặc trưng

Tác giả Jun Shan và đồng nghiệp [70] đã sử dụng phương pháp điện hóa gián tiếp

để xác định CFX dựa trên phức của CFX với Cd2+ Trong điều kiện tối ưu, phản ứng tại anốt của Cd2+ trên điện cực graphene biến tính tỷ lệ nghịch với CFX trong khoảng nồng

độ từ 1,0 x 10-7 đến 1,0 x 10-5 mol/L với LOD là 5,9 x 10-8 mol/L Phương pháp có tính chọn lọc cao, độ thu hồi tốt và đã được áp dụng thành công để xác định CFX trong mẫu dược phẩm và nước tiểu của con người

MH Ghanbari cùng các cộng sự [25] đã sử dụng điện cực carbon thủy tinh (GCE) biến tính graphene oxit dạng khử (rGO) để phân tích LFX trong mẫu viên nén Các phép

đo điện hóa được thực hiện bằng cách sử dụng điện cực biến tính trên trong các thí

nghiệm đo Von-Ampe xung vi phân (DPV) và đo Von-Ampe vòng (CV) Khoảng tuyến tính để xác định LFX là từ 100 đến 3000 x 10-8M và 0,2 đến 100 x 10-6M LOD thu được

là 6,0 x 10-8M

1.2.4.Phương pháp điện di mao quản

Điện di mao quản (CE) là phương pháp tách áp dụng cho các chất phân tích là các ion hoặc các chất không ion nhưng có mối liên hệ chặt chẽ với các ion trong một ống mao quản hẹp đặt trong điện trường cao, do độ linh động điện di của các ion khác nhau, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra khỏ nhau Phương pháp sử dụng điện áp cao để đặt vào hai đầu mao quản tạo ra điện trường trực tiếp tác động lên các ion chất tan để di chuyển chúng về các cực trái dấu

Yan-Ming Liu và cộng sự [77] nghiên cứu một phương pháp mới để xác định norfloxacin (NOR) và (LFX) bằng cách tách CE và phát hiện detector điện hóa (ECL) Trong điều kiện tối ưu, hai chất phân tích được phân tách tốt trong vòng 9 phút LOD đối với NOR và LFX lần lượt là 4,8 × 10-7 mol/L và 6,4 × 10-7 mol/L

Biyang Deng và cộng sự [17] đã sử dụng phương pháp CE với detector UV xác định CFX trong nước tiểu của người với giới hạn phát hiện thấp 0,310 μg/L, khoảng tuyến tính rộng 0,001 μg/mL –8,000 μg/mL, cùng độ thu hồi cao 95,77%, độ lệch chuẩn tương đối nhỏ hơn 2,2% và thời gian phân tích ngắn khoảng 6 phút/ mẫu

1.2.5.Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) đóng vai trò quan trọng trong việc tách và phân tích các chất trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong việc tách và phân tích lượng vết và siêu vết HPLC với cột pha đảo được sử dụng rộng rãi nhất để xác định kháng sinh trong các loại mẫu khác nhau do nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác vì độ chính xác, độ nhạy, độ chọn lọc, độ lặp lại cao và khoảng tuyến tính rộng

Detector trong thiết bị HPLC cho phép phân tích định tính và định lượng chất sau khi rửa giải khỏi cột tách Hiện nay, nhiều detector đã nghiên cứu phát triển mở rộng khả năng phân tích một loạt các chất bằng HPLC Đối với phân tích dư lượng kháng

sinh trong mẫu nước và dược phẩm, detector PDA và phổ khối (MS) được coi là lựa chọn phù hợp nhất vì các detector này có thể xác định các chất với độ nhạy cao và phù hợp với nhiều loại mẫu phân tích

Tác giả R.M Santoro và các cộng sự [69] đã sử dụng phương pháp HPLC để phân tích định lượng bốn loại kháng sinh quinolone trong viên nén và thuốc tiêm Các Fluoroquinolones được nghiên cứu là Gatifloxacin (GAT), Levofloxacin (LFX), Lomefloxacin (LOM) và Pefloxacin (PEF) Các quinolone được phân tích bằng cách sử dụng cột LiChrospher® 100 RP-18 (5 μm, 125 mm × 4 mm) và pha động gồm nước: acetonitril (80:20, v/v) và 0,3% triethylamine được điều chỉnh pH về 3,3 bằng H3PO4 Tốc độ dòng chảy là 1,0 mL/phút và các phép phân tích được thực hiện bằng detector

UV có bước sóng thay đổi từ 279 đến 295 nm Tất cả các FQs được tách ra trong vòng

5 phút Các đường chuẩn là tuyến tính (R2 > 0,9999) trong khoảng nồng độ từ 4,0 đến 24,0 μg/ mL Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) là < 1,0% và độ thu hồi trên 99,54%

1.3 Một số phương pháp xử lý kháng sinh trong nước và nước thải

1.3.1 Phương pháp sinh học

Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng khả năng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải Trong công trình xử lý bằng phương pháp sinh học, các chất ô nhiễm như chất hữu

cơ hòa tan và các chất keo lơ lửng được vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn cho sự sinh trưởng của chúng Trong quá trình tăng trưởng, vi sinh vật chuyển hóa các chất ô nhiễm thành CO2, H2O và các tế bào mới (sinh khối/ bùn) Các chất ô nhiễm được loại

bỏ thông qua quá trình sa lắng để tách bùn ra khỏi nước thải Sự phân hủy cơ chất bởi

vi sinh vật sẽ làm giảm nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian đồng thời tăng khối lượng sinh khối

Trong các nghiên cứu sử dụng phương pháp này, công nghệ bùn sinh học thường được sử dụng, đặc biệt là trong xử lý nước thải công nghiệp Kỹ thuật này được sử dụng

để loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong bể bùn hoạt tính bằng cách kiểm soát đồng thời nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhiệt độ Tác giả Xiaobin Liao và cộng sự [49] đã nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của CFX và mô tả cơ chế các vi sinh vật phân hủy CFX

Kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ tăng lên khi có các nguồn cacbon hoặc nitơ có lợi cho sự phân hủy sinh học CFX Cấu trúc cộng đồng vi khuẩn đã cho thấy một sự thay đổi lớn với sự phân hủy sinh học CFX

1.3.2 Phương pháp oxi hóa tăng cường

Các quá trình oxi hóa tăng cường dựa trên sự tạo thành các gốc tự do hoạt động như OH , gốc tự do này đóng vai trò một tác nhân oxi hóa không chọn lọc Trong các quá trình này, sự oxi hóa hoàn toàn có thể thu được ở điều kiện nhiệt độ, áp suất thường Các quá trình oxi hóa tăng cường phân biệt nhau ở cách thức tạo ra gốc tự do Gốc tự

do có thể được tạo ra bằng nhiều cách như chiếu tia UV, sự phân ly của H2O2 (có xúc tác), sử dụng ozon O3

Bavo De Witte và cộng sự [16] đã nghiên cứu các sản phẩm phân hủy được hình thành trong quá trình ozon hóa CFX trong cột tại các pH 3, 7 và 10 Kết quả cho thấy rằng pH có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành các sản phẩm phân huỷ trong quá trình ozon hoá và sự phân huỷ CFX đạt hiệu suất cao ở pH 7

1.3.3 Phương pháp quang xúc tác

Xúc tác quang hóa là phương pháp sử dụng đồng thời tác dụng của ánh sáng và vật liệu xúc tác Nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp phản ứng xảy ra Khi có sự kích thích của ánh sáng, các chất xúc tác sẽ tạo ra cặp điện

tử - lỗ trống và tạo ra sự trao đổi electron giữa các chất phản ứng thông qua chất xúc tác Như vậy, chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng quang hóa khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp Dưới tác dụng phải ứng quang hoá, các thuốc kháng sinh có thể bị phá

vỡ cấu trúc và gỉảm nồng độ một cách đáng kể Các chất xúc tác quang dạng oxit kim loại thường dùng là các vật liệu bán dẫn titan oxit, kẽm oxit hay các dạng pha tạp các oxit kim loại

Amandeep Kaur và các cộng sự [36] đã sử dụng các khối nano Bi2WO6 để phân hủy LFX trong mẫu nước thải sinh hoạt bằng phương pháp quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến Khoảng 80% LFX bị phân hủy trong 150 phút Các nghiên cứu động học cho

thấy sự phân hủy của LFX tuân theo mô hình động học giả bậc một và hằng số tốc độ được tìm thấy là 0,0085/phút

1.3.4 Phương pháp hấp phụ

1.3.4.1 Tổng quan về hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tích lũy vật chất lên bề mặt phân cách giữa 2 pha (rắn-khí, rắn- lỏng) Chất có bề mặt mà trên đó xảy ra quá trình hấp phụ gọi là chất hấp phụ, chất được tích lũy trên bề mặt gọi là chất bị hấp phụ Trong một số trường hợp chất bị hấp phụ có thể đi xuyên qua lớp bề mặt và đi vào bên trong khối vật chất của chất hấp phụ, hiện tượng này gọi là sự hấp thụ [15] Phương pháp hấp phụ có nhiều ưu điểm với quy trình xử lí đơn giản, thiết bị trong công nghệ xử lí không đòi hỏi phức tạp, các vật liệu hấp phụ thường có tính chọn lọc và độ bền cao, ngoài ra còn có thể tái sử dụng nhiều lần nên giá thành thấp, hiệu quả tốt

Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có thể phân chia thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Hấp phụ vật lí là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lí và không hình thành liên kết hóa học, lực liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ thường là các liên kết phân tử yếu như liên kết Van der Waals, tương tác tĩnh điện Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, nhiệt hấp phụ thường nhỏ hơn so với hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hóa học Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm, thường kèm theo sự hoạt hoá phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá, là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể Hấp phụ hóa học về bản chất khác với hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học được các nhà khoa học sử sụng để nghiên cứu các phản ứng xúc tác, đặc biệt là các phản ứng xúc tác dị thể Trong trường hợp này, các chất xúc tác là dạng pha rắn, trong nhiều trường hợp các chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt rắn của xúc tác và tạo thành các liên kết hóa học

Để mô tả cũng như dự đoán cơ chế hấp phụ, các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt thường được nghiên cứu và áp dụng

1.3.4.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

a) Phương trình Freundlich [22] là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp phụ khí hoặc chất tan trên bề mặt chất hấp phụ rắn

1n

fLogarit hai vế của phương trình trên ta được phương trình bậc nhất có dạng y= ax+b

1logQ = logK +e f logCe

nTrong đó:

Q (mg/g): dung lượng hấp phụ riêng, số gam chất bị hấp phụ trên 1g chất hấp phụ

Qe: Dung lượng hấp phụ riêng, là số mg chất bị hấp phụ trên 1 gam chất hấp phụ ở thời điểm cân bằng (mg/g)

Qmax: Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

Ce: Nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)

(1.2)

𝛤 = 𝛤∞𝑘1𝐶𝑒 (

1

𝑛+ 𝑘2𝐶𝑒𝑛−1)

1 + 𝑘1𝐶𝑒(1 + 𝑘2𝐶𝑒𝑛−1) (1.4) Trong đó:

Γ: Dung lượng hấp phụ (mg/g)

Γ∞ : Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

k1 (g/mg), k2 (g/mg)n-1 là hằng số cân bằng của bước hấp phụ đơn lớp đầu tiên và hấp phụ của n phân tử chất bị hấp phụ hoặc hấp phụ đa lớp

C : Nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mol/L)

1.3.5 Động học hấp phụ

Tốc độ hấp phụ là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ [85] Đối với hệ hấp phụ lỏng- rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn liền kề nhau Các giai đoạn bao gồm:

- Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Chất bị hấp phụ di chuyển tới bề mặt chất hấp phụ

- Giai đoạn khuếch tán trong lỗ xốp (đối với vật liệu xốp): Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các lỗ xốp

- Giai đoạn hấp phụ: Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ

Tốc độ của một quá trình hấp phụ được xác định bởi sự thay đổi nồng độ của chất

bị hấp phụ theo thời gian Trong luận văn này mô hình động học giả bậc 1 và giả bậc 2 được sử dụng để nghiên cứu đặc tính của quá trình hấp phụ kháng sinh CFX và LFX trên vật liệu nanosilica vỏ trấu được biến tính bằng các protein và vật liệu Al2O3/SiO2

Sau khi tích hợp các điều kiện biên (t từ 0 đến t và qt từ 0 đến qt), phương trình được biến đổi thành phương trình tuyến tính bậc 1 như dưới [90]:

𝑙𝑛 𝑙𝑛 (𝑞𝑒 − 𝑞𝑡) =𝑙𝑛 𝑙𝑛 (𝑘1𝑞𝑒) − 𝑘1𝑡 Một dạng khác của phương trình tuyến tính [38]:

𝑙𝑜𝑔 𝑙𝑜𝑔 (𝑞𝑒 − 𝑞𝑡) =𝑙𝑜𝑔 𝑙𝑜𝑔 𝑞𝑒 − 𝑘1

2.303Trong đó:

qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

qt: dung lượng hấp phụ tại thời gian đo t (phút)

k1 là hằng số tốc độ của mô hình giả bậc 1 (phút-1)

qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

qt: dung lượng hấp phụ tại thời gian đo t (phút)

k2 là hằng số tốc độ của mô hình giả bậc 2 (g/mg.phút)

t là thời gian hấp phụ (phút)

1.4 Giới thiệu protein và ứng dụng

1.4.1 Giới thiệu chung về protein

Protein là một đại phân tử sinh học, bao gồm nhiều axit amin liên kết với nhau Chúng thực hiện nhiều chức năng trong tế bào Protein đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của cơ thể và là đối tượng nghiên cứu chính trong lĩnh vực hóa

(1.6)

(1.7)

sinh [35] Protein có nhiều trong các loại thực phẩm như trứng, sữa, thịt,… Ngoài ra, protein còn được tìm thấy với hàm lượng lớn trong các loại hạt của nhiều loại thực vật Hiện nay, các protein có nguồn gốc từ thực vật và các protein từ sản phẩm trứng gia cầm

có hàm lượng cao, dễ chế tạo và thân thiện với môi trường đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng protein hạt chùm ngây đại diện cho nguồn protein từ thực vật và protein lysozyme lòng trắng trứng

gà là protein từ động vật để nghiên cứu các đặc tính hấp phụ và khả năng ứng dụng trong

xử lý môi trường nước

1.4.2 Giới thiệu protein hạt chùm ngây và ứng dụng

1.4.2.1 Giới thiệu protein hạt chùm ngây

Chùm ngây là loại cây phổ biến ở các nước nhiệt đới, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y tế [7], thực phẩm [31], y học [42], khoa học môi trường [58],…Các kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy chùm ngây là loại cây có hàm lượng dinh dưỡng cao [56], đặc biệt hạt chùm ngây chứa hàm lượng protein cao dao động từ 20-50% [59] nên ý tưởng tách protein từ hạt chùm ngây và sử dụng nguồn protein tự nhiên này đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực liên ngành đang được nghiên cứu rộng rãi

Protein được tách chiết từ hạt chùm ngây là protein thực vật, chứa 18 loại axit amin thiết yếu, kết quả phân tích cho thấy các axit amin có hàm lượng cao của glutamine, arginine và proline [24] Khối lượng phân tử của protein được xác định bằng phương pháp sắc ký thẩm thấu gel (GPC) khoảng 6,5 kDa trong khi điểm đẳng điện được tìm thấy là khoảng pH 10

Hấp phụ protein trên vật liệu rắn đóng vai trò quan trọng trong xử lý môi trường

do các đặc tính cụ thể của protein Do đó, nhiều nghiên cứu về sự hấp phụ protein trên

bề mặt rắn đã được nghiên cứu kỹ lưỡng Nhiều nghiên cứu về sự hấp phụ protein vào silica đã tìm thấy các tính chất đặc biệt của protein trên bề mặt silica [14, 54] Tác giả Habauka M Kwaambwa và các cộng sự [40] đã nghiên cứu sự hấp phụ của protein tách chiết từ hạt chùm ngây trên silica để làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của protein như một chất keo tụ Nghiên cứu sử dụng phổ phản xạ Neutron để xác định cấu trúc và thành phần của các lớp hấp phụ trên bề mặt tiếp xúc protein/silica Các lớp hấp phụ protein

trên silica đã được xác định chứa khoảng 5,5 mg/m2 với nồng độ protein trên 0,025% Các lớp protein hấp phụ đa lớp cho thấy tương tác giữa các phân tử protein khá mạnh

Sự hấp phụ mạnh của protein kết hợp với xu hướng liên kết của protein đặc tính như một chất keo tụ của protein trong hạt chùm ngây

1.4.2.2 Ứng dụng protein hạt chùm ngây

Protein chùm ngây được đánh giá cao như có khả năng phân hủy sinh học, ít độc tính, chi phí thấp [83] Protein chiết xuất từ hạt chùm ngây chứa các hợp chất sinh học hoạt tính có đặc tính keo tụ hiệu năng cao Nhiều nghiên cứu đã ứng dụng protein hạt chùm ngây làm chất keo tụ để xử lý nước thay cho muối nhôm và sắt [55] Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng protein chùm ngây để làm sạch nước, loại bỏ kim loại nặng trong môi trường nước bằng phương pháp keo tụ [37], ngoài ra còn được ứng dụng để tiêu diệt vi khuẩn, nấm tạo tiền đề cho các nghiên cứu trong y sinh học [71]

Protein được tách chiết từ hạt chùm ngây như một chất keo tụ hiệu quả để xử lý nước cũng thu hút được một số nghiên cứu [40, 55] B Bina cùng các cộng sự [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của protein hạt chùm ngây (được coi như chất hỗ trợ keo tụ) đến muối nhôm sunfat để xử lý độ đục, độ cứng và vi khuẩn có trong nước thải Hiệu quả

xử lý độ đục tăng từ 80% đến 99% nhờ sự có mặt của protein hạt chùm ngây đóng vai trò là chất trợ đông tụ Ngoài ra, protein hạt chùm ngây đã làm giảm đáng kể nồng độ cần thiết của muối nhôm sunfat (chất keo tụ chính) Nồng độ Al3+ dư trong nước sau xử

lý nhỏ hơn 0,2 mg/l và đáp ứng các quy định của cơ quan bảo vệ môi trường Kết quả cũng cho thấy protein chùm ngây là chất có tiềm năng để xử lý nước ô nhiễm mà không gây nguy hại cho sức khỏe và môi trường

Tuy nhiên, sử dụng protein hạt chùm ngây biến tính vật liệu nanosilica chế tạo từ

vỏ trấu để loại bỏ kháng sinh chưa được nghiên cứu một cách hệ thống

1.4.3 Giới thiệu về protein lysozyme lòng trắng trứng gà và ứng dụng

1.4.3.1 Giới thiệu protein lysozyme lòng trắng trứng gà

Lysozyme là một trong số các β-glycoside hydrolase phổ biến trong tự nhiên Lysozyme được tìm thấy trong các chất tiết như chất nhầy, sữa, nước mắt và lòng trắng

của trứng gia cầm Đặc biệt, lòng trắng trứng gà chứa khoảng 11% các loại protein và 3,5% protein trong lòng trắng trứng là lysozyme [38, 75] Từ lòng trắng trứng gà có thể tách và phân lập được protein lysozyme với độ tinh khiết cao với quy trình đơn giản Lysozyme lòng trắng trứng gà là một polypeptide chuỗi đơn chứa 129 gốc axit amin [11] Cấu trúc ba chiều được ổn định bởi bốn cầu nối disulfua, góp phần tạo nên khả năng điều nhiệt đặc biệt của protein Trọng lượng phân tử của lysozyme là 14,300 Da [43] và có điểm đẳng điện IEP trong khoảng 10,5–11 [44] Lysozyme là một loại protein chuẩn được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các đặc tính của protein, sinh hóa enzyme chẳng hạn như cơ chế enzyme, quá trình kết tinh protein hoặc gấp protein [86]

1.4.3.2 Ứng dụng của protein lysozyme lòng trắng trứng gà

1.4.3.2.1 Ứng dụng diệt khuẩn

Lysozyme thể hiện hoạt tính diệt khuẩn mạnh đối với vi khuẩn gram dương Điều này được giải thích do nó được coi là một enzyme glycoside hydrolase xúc tác cho quá trình thủy phân liên kết 1,4-beta giữa axit N-acetylmuramic và chuỗi bên N-acetyl-D-glucosamine trong peptidoglycan, thành phần chính của thành tế bào vi khuẩn gram dương [45, 46] Sự thủy phân này sẽ phá hủy thành tế bào của vi khuẩn, từ đó tiêu diệt

vi khuẩn Do đặc tính kìm khuẩn, diệt khuẩn và kháng vi-rút, lysozyme trong lòng trắng trứng gà hiện đang được sử dụng như một thành phần dược phẩm trong y học và thú y cũng như trong công nghiệp thực phẩm [46] Ngành công nghiệp dược phẩm sử dụng lysozyme như một enzyme để sản xuất các loại thuốc bổ trợ cho thuốc kháng sinh và thuốc giảm đau trong các bệnh nhiễm trùng do vi rút và vi khuẩn, trong điều trị bệnh bạch cầu và các bệnh ung thư Lysozyme cũng được sử dụng như một tác nhân chẩn đoán, là một chỉ số về sự xuất hiện và tiến triển của những thay đổi bệnh lý ở người và động vật [72]

1.4.3.2.2 Ứng dụng bảo quản thực phẩm

Lysozyme thể hiện hoạt tính diệt khuẩn chống lại một số vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm và mầm bệnh [29] Lysozyme được sử dụng như một chất diệt khuẩn hiệu quả trong việc kéo dài thời hạn sử dụng của một số loại thực phẩm bao gồm rau tươi,

cá, sản phẩm cá chế biến, thịt chế biến, trái cây và hải sản Đặc biệt, lysozyme có hiệu

quả chống lại vi khuẩn hoại sinh và vi khuẩn gây bệnh trên thân thịt gia cầm và chân gà còn da, đồng thời nó cũng kiểm soát sự hình thành độc tố của Clostridium botulinum trong cá, gia cầm và một số loại rau [32, 74]

1.5 Giới thiệu các loại vật liệu nano oxit

1.5.1 Giới thiệu vật liệu oxit nhôm

Oxit nhôm là một oxit lưỡng tính, xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng các khoáng chất khác nhau như bauxite, corundum, gibbsite, v.v Oxit nhôm cũng có nhiều pha cấu trúc bao gồm α, β, γ, η, θ và χ Trong số các pha đó, alpha alumina (α-Al2O3) và gamma alumina (γ-Al2O3) đã thu hút nhiều sự chú ý và được nghiên cứu nhiều Trong khi γ-Al2O3 được phát hiện là dạng hoạt hóa mạnh nhất, thì α-Al2O3 là dạng ổn định nhiệt nhất α-Al2O3 đại diện cho cấu trúc khối của corundum trong khi γ-Al2O3 được biết là

có diện tích bề mặt riêng cao Al2O3 là chất kết tinh không tan trong nước Liên kết ion

Al3+ và ion O2- rất bền vững Nhôm oxit có tính chất cơ học tốt, có nhiệt độ nóng chảy cao (2072oC), độ cứng cao (15,7 GPa) theo thang Vickers và 9 theo thang Mohs, trơ hóa học và độ dẫn nhiệt tương đối cao (30 W m-1 K-1), có khả năng chống va đập tuyệt vời, chống hóa chất, chống ăn mòn, trơ sinh học, dẫn điện kém, là chất cách điện với hiệu năng cao Nhôm oxit hoạt hóa là một chất dạng hạt, xốp và có hoạt tính bề mặt cao

1.5.2 Ứng dụng của oxit nhôm

1.5.2.1 Ứng dụng trong xử lý môi trường

Các hạt nano nhôm oxit thường được sử dụng làm chất hấp phụ để loại bỏ các chất ô nhiễm và xử lý môi trường Shafqat Ali và cộng sự [5] đã đề xuất một quy trình đơn giản để chế tạocác hạt nano γ-Al2O3 nhằm loại bỏ thuốc nhuộm hữu cơ, xanh methylene (MB) bằng cách sử dụng formamide và Tween-80 Ở pH 9, thời gian hấp phụ

10 phút, khả năng hấp phụ của MB trên γ-Al2O3 là 2210 mg/g Nhóm nghiên cứu của tác giả Phạm Tiến Đức [19] cũng đã sử dụng α-Al2O3 biến tính bằng chất hoạt động bề mặt natri dodecyl sulfate (SDS) để xử lý kháng sinh họ tetracycline (TCs), bao gồm oxytetracycline (OTC), chlortetracycline (CTC) và tetracycline (TC) trong môi trường nước Tại pH 4 và thời gian hấp phụ 180 phút dung năng hấp phụ tối đa là 320, 85 và

91 mg/g lần lượt đối với TC, OTC và CTC Từ đó cho thấy nano α-Al2O3 được biến tính bằng SDS là chất hấp phụ rất tốt để xử lý kháng sinh trong môi trường nước

1.5.2.2 Ứng dụng trong y học

Dựa trên các nghiên cứu y học, Al2O3 không độc hại đối với con người và không ảnh hưởng đến các chức năng của hệ thống thần kinh trung ương, gan, thận, chuyển hóa protein và chất béo Nhôm oxit không bị các phản ứng điện hóa đưa vào các hạch bạch huyết và các bộ phận khác của cơ thể, không gây suy giảm miễn dịch hoặc các thay đổi khác trong hệ thống miễn dịch Khả năng tương thích sinh học của Al2O3 cùng với tính trơ cao, khả năng chống ăn mòn của chúng đã được ứng dụng trong các lĩnh vực như cấy ghép, phẫu thuật và dụng cụ y tế [47]

1.5.3 Giới thiệu vật liệu nanosilica vỏ trấu

Silic dioxit, được gọi là silica (SiO2), là một trong những thành phần phổ biến nhất được tìm thấy trong tự nhiên như thạch anh hoặc cát Silica là một khoáng chất phổ biến trong vỏ Trái đất Ở điều kiện áp suất thường, silica ở dạng tinh thể có ba dạng thù hình chính là: thạch anh, triimit và cristobalit

Silica là nguyên liệu thô cơ bản trong các ngành công nghiệp điện tử, gốm sứ và vật liệu polyme Một số phương pháp đã được sử dụng để tổng hợp silica như phản ứng pha hơi, sol-gel và kỹ thuật phân hủy nhiệt [3] Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao của silica ảnh hưởng tới khả năng ứng dụng của nó Vì vậy, nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp với thành phần chính là silica được nhiều nghiên cứu khoa học nghiên cứu để tìm ra nguyên liệu rẻ tiền và hiệu quả

Trấu được coi là nguồn phụ phẩm nông nghiệp có sẵn trong sản xuất lúa gạo ở các nước đang phát triển, ví dụ như Việt Nam, Thái Lan, Trung Quốc Các số liệu phân tích cho thấy rằng một tấn gạo được tạo ra khoảng 0,23 tấn trấu Theo Chandrasehar và các cộng sự [13] báo cáo rằng ở Ấn Độ, trong năm 1997-1998, khoảng

26 triệu tấn trấu đã được tạo ra Ở Việt Nam, năng suất lúa đạt khoảng 40 triệu tấn/năm với khối lượng trấu khoảng 9,2 triệu tấn/năm Với hàm lượng silica trong trấu khoảng 10% [50], lượng silica từ vỏ trấu ở Việt Nam xấp xỉ một triệu tấn/năm Thành phần của

silica trong vỏ trấu mặc dù được biết đến từ năm 1938 [12], nhưng ứng dụng nanosilica chế tạo từ vỏ trấu trong xử lý môi trường chưa được nghiên cứu nhiều

Nanosilica là loại vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng cao do có ưu điểm là diện tích bề mặt lớn, bền nhiệt, cơ học và trơ hóa học Nhờ các ưu điểm này nên nanosilica được ứng dụng rộng rãi trong y học, kỹ thuật và công nghệ môi trường Nhiều nghiên cứu đã sử dụng nanosilica vỏ trấu được biến tính bề mặt với chất hoạt động bề mặt, polymer mang điện để loại bỏ dư lượng dược phẩm, thuốc nhuộm với hiệu quả cao Nhóm nghiên cứu của tác giả Đinh Thị Dịu đã sử dụng nanosilica biến tính bằng chất hoạt động bề mặt cation cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) để xử lý kháng sinh amoxicillin (AMX) trong môi trường nước Các điều kiện thí nghiệm như thời gian hấp phụ, pH và dung lượng vật liệu hấp phụ để loại bỏ AMX sử dụng nanosilica biến tính với CTAB được tối ưu và tìm được là 60 phút, pH 10 và lượng vật liệu 10 mg/mL Hiệu suất xử lý AMX bằng nanosilica biến tính CTAB đạt tới100% trong điều kiện hấp phụ tối ưu [18]

Tuy nhiên, sử dụng các loại protein thân thiện với môi trường có hiệu năng cao trong diệt khuẩn, loại bỏ chất ô nhiễm như protein chùm ngây và lysozyme lòng trắng trứng gà hay sử dụng nano-Al2O3 để thay đổi đặc tính bề mặt nanosilica để hấp phụ xử

lý kháng sinh trong môi trường nước chưa được nghiên cứu hệ thống và công bố trong nước và quốc tế

1.6 Giới thiệu vật liệu nanocomposite Al 2 O 3 /SiO 2

Vật liệu composite là loại vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu có tính chất vật lý và hóa học khác nhau, loại vật liệu này sẽ mang tính chất và những công dụng vượt trội hơn hẳn so với những vật liệu ban đầu Vật liệu nanosilica là chất hấp phụ được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên bề mặt mang điện tích âm và tỉ trọng điện tích không cao dẫn đến hiệu suất hấp phụ còn thấp Mặt khác nano- Al2O3 là một nano oxit phổ biến, có độ bền và độ ổn định cao Vật liệu nano- Al2O3 có các đặc trưng bề mặt phù hợp cùng với điểm đẳng điện IEP khoảng 6,7 [64] khiến chúng có khả năng xử lý nhiều loại dược phẩm, chất ô nhiễm mang điện Kết hợp các đặc trưng của vật liệu

tăng cường tính ổn định, độ bền, thay đổi đặc tính bề mặt, khả năng tích điện từ đó dễ dàng hấp phụ loại bỏ các chất ô nhiễm trong môi trường nước

Trong nghiên cứu này, vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 được chế tạo và ứng

dụng để loại bỏ kháng sinh trong môi trường nước

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu trong luận văn này là chế tạo vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 và vật liệu nanosilica được biến tính bằng các protein hạt chùm ngây và lysozyme để xử lý hai kháng sinh Ciprofloxacin (CFX), Levofloxacin (LFX) trong môi trường nước bằng phương pháp hấp phụ

2.2 Nội dung nghiên cứu

Luận văn có những mục tiêu nghiên cứu sau:

 Chế tạo và xác định đặc trưng của vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2

 Hấp phụ protein chùm ngây và lysozyme lên nanosilica để biến tính bề mặt vật liệu

 Tối ưu hóa các điều kiện hấp phụ kháng sinh LFX, CFX sử dụng vật liệu nanosilica biến tính với các protein và vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2: thời gian hấp phụ, pH, lượng vật liệu hấp phụ và lực ion

 So sánh hiệu quả xử lý kháng sinh CFX, LFX bằng vật liệu nanosilica không có biến tính và không biến tính với protein và vật liệu nano-Al2O3

CFX trên vật liệu nanosilica biến tính bằng protein và vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2

 Đánh giá khả năng tái sử dụng vật liệu nanosilica biến tính bằng protein và vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2

2.3 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị

2.3.1 Hóa chất, pha chế

a Vật liệu và hóa chất

Các hóa chất và vật liệu sử dụng trong nghiên cứu được liệt kê dưới đây:

- Protein lysozyme 98% lòng trắng trứng được cung cấp bởi Sigma-Aldrich

- Hạt Chùm ngây được mua ở Hà Nội

- Vỏ trấu được mua ở huyện Nam Trực Nam Định

- Axit HCl 37 % và axit H2SO4 98%, p.A – Scharlau, Tây Ban Nha

- Các hóa chất khác như: KOH, KCl, NaOH, C2H5OH đều là loại tinh khiết phân tích của Merck

- Kháng sinh CFX, và LFX 98% có độ tinh khiết sắc ký được mua từ công

ty hóa chất công nghiệp Tokyo Chemical Industry, Nhật Bản

- Các hóa chất khác có độ tinh khiết p.A của Merck hoặc tương đương

b Chuẩn bị dung dịch chuẩn kháng sinh

Dung dịch chuẩn 1000 ppm kháng sinh được chuẩn bị bằng cách cân chính xác 0,1020 gam CFX 98% hoặc LFX 98% Sau đó hòa tan bằng nước deion thành dung dịch đồng nhất trong bình định mức 100 mL và bảo quản trong lọ tối màu trong tủ lạnh Để thu được các nồng độ kháng sinh CFX và LFX ở các nồng độ thấp hơn như 50 ppm, 100 ppm tiến hành pha loãng bằng nước deion từ dung dịch CFX và LFX1000 ppm với các

- Thiết bị quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR, Affinity-1S, Shimadzu, Nhật Bản)

- Thiết bị nhiễu xạ Rơnghen XRD (Bruker, D8 Advance, Đức)

- Thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (JEM-2100, Jeol, Nhật Bản)

- Máy rung siêu âm, có gia nhiệt của hãng BRANSONIC 521

- Máy lắc Orbital DIGISYSTEM, OS3-18040010 (Đài Loan)

- Máy đo pH của hãng HANNA với điện cực thủy tinh và các dung dịch đệm pH

để chuẩn lại điện cực trước khi đo

- Thiết bị lọc nước deion Thermo- Scientific

- Cân phân tích của hãng Scientech (Mỹ), độ chính xác 0,1 mg

- Tủ lạnh Sanaky VH-2899W dùng bảo quản mẫu

- Máy ly tâm để bàn DIGISYSTEM (Đài Loan) tốc độ 6000 rpm

- Máy ly tâm lạnh MR23i (JOUAN, Pháp) tốc độ 18.000 rpm

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

Tất cả các thí nghiệm trong nghiên cứu này được thực hiện ở nhiệt độ phòng 25±20C Nồng độ của protein và chất kháng sinh được xác định bằng thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (1601PC, Shimadzu, Nhật Bản) sử dụng cuvet thạch anh tại Phòng thí nghiệm Hóa phân tích, Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN

a Định lượng protein bằng phương pháp UV-Vis

Phương pháp UV-Vis được sử dụng để xác định nồng độ protein ở bước sóng

280 nm Dung lượng hấp phụ Г (mg/g) của protein lên nanosilica được tính theo công thức sau:

Γ = 𝐶𝑖−𝐶𝑓

𝑚 (2.1) Trong đó: Ci và Cf tương ứng là nồng độ protein (mg/L) ở thời điểm ban đầu và sau khi hấp phụ t phút; m (mg/L) là khối lượng vật liệu hấp phụ

b Định lượng kháng sinh bằng phương pháp UV-Vis

Trong nghiên cứu này, phương pháp đường chuẩn trên cơ sở phép đo UV-Vis được sử dụng để định lượng nhanh riêng nồng độ kháng sinh CFX và LFX ở các bước sóng lần lượt là 276 nm và 289 nm trong các dung dịch mẫu

Hiệu suất xử lý kháng sinh CFX và LFX (H %) được tính theo công thức:

𝐻 % = 𝐶𝑖−𝐶𝑓

𝐶𝑖 × 100 Trong đó: Ci và Cf tương ứng là nồng độ CFX, LFX (mg/L) ở thời điểm ban đầu

và sau khi xử lý t phút Nồng độ kháng sinh trong các dung dịch mẫu được định lượng bằng phép đo UV-Vis sử dụng phương pháp đường chuẩn

2.4.2 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)

Phương pháp XRD được dùng để nghiên cứu cấu trúc pha của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các thành phần pha tinh thể với độ tin cậy cao Nguyên tắc của phương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ Mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron (Å) xấp xỉ với bước sóng của tia Rơnghen [73]

2.4.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR

Phổ hồng ngoại là một trong những phương pháp thường dùng để phân tích cấu trúc vật liệu Phổ hồng ngoại đặc biệt hữu ích khi nhận biết các nhóm chức gắn trên bề mặt vật liệu Nghiên cứu phổ hồng ngoại phân tích cấu trúc vật liệu thường chú ý đến dao động hóa trị và dao động biến dạng

Dựa vào tần số đặc trưng của các liên kết thu được trên phổ hồng ngoại có thể xác định được cấu trúc vật liệu [60]

2.4.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để khảo sát những vật thể rất nhỏ Kết quả thu được qua khảo sát này

(2.2)

phản ánh về mật hình thái học, kích thước và tinh thế học của vật liệu mà chúng ta cần xác định Phương diện hình thái học bao gồm hình dạng và kích thước của hạt vật liệu Hình thái là các đặc trưng bề mặt của một vật liệu bao gồm kết cấu bề mặt và kích thước chính xác của vật liệu Phương diện tinh thể học mô tả cách sắp xếp của các nguyên tử trong vật thể như thế nào Cách sắp xếp của các nguyên tử một cách có trật tự sẽ ảnh hưởng đến các tính chất như độ dẫn, tính chất điện và độ bền của vật liệu

Một lượng nhỏ (khoảng 5μL) của các mẫu vật liệu được phân tán trong dung dịch được mang lên màng ngay sau khi bị phân tán bởi sóng siêu âm ít nhất 20 phút Màng

đã được sấy khô ít nhất một đêm Sau đó, ảnh TEM được chụp với các độ phân giải khác nhau để xác định đặc tính kích phân bố thước hạt của vật liệu

2.4.5 Phương pháp tách chiết protein hạt chùm ngây

Hạt chùm ngây được bóc loại vỏ, thu lấy nhân Nhân hạt chùm ngây được sấy nhẹ ở 400C trong 3-5 ngày rồi nghiền nhỏ thành bột Sau đó, trộn 50g bột hạt với 100

mL ete dầu hỏa lắc trong 10 tiếng trên máy lắc chiết loại bỏ dầu Quá trình chiết lặp lại 3-4 lần, mỗi lần chiết với 50 mL ete dầu hỏa Chất rắn thu được hòa tan trong 200 mL nước và lọc qua giấy lọc lấy dịch lọc Chiết lỏng – lỏng bằng dung môi ete dầu hỏa để loại sạch dầu hơn Chiết 2-3 lần, mỗi lần chiết với 10 mL ete dầu hỏa Kết tủa protein bằng cách thêm muối amoni sunfat (NH4)2SO4 vào dịch chiết cho đến khi dung dịch bão hòa Cho từ từ muối vào dịch chiết sử dụng máy khuấy từ để đảm bảo sự hòa tan của muối Sau đó ly tâm thu được protein Tạo bột protein bằng cách cho axeton vào protein sau khi ly tâm Sau đó sấy ở 600C tới khô trước khi chuyển vào lọ tối màu và bảo quản trong tủ lạnh

2.4.6 Phương pháp chế tạo vật liệu nanocomposite Al 2 O 3 /SiO 2

Quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 được mô tả theo sơ đồ ở Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo vật liệu nanocomposite Al 2 O 3 /SiO 2

Các bước tiến hành như sau:

- Bước 1: Cân 22,07g Al(NO3)3.9H2O và 7,05g NaOH rồi hòa tan lần lượt vào hai cốc chứa khoảng 200 mL nước deion

- Bước 2: Tiến hành khuấy trộn 1g nanosilica với Al(NO3)3.9H2O và 50 mL etanol khuấy không gia nhiệt, sau đó nhỏ từ từ NaOH vào cốc đựng vật liệu nhằm kết tủa ion Al3+

Al(NO3)3.9H2O + 1g nanosilica + 50 mL C2H5OH

Khuấy không gia nhiệt, nhỏ từ từ NaOH Thu được kết tủa

Lọc rửa kết tủa, sau đó sấy khô ở 80oC trong 24h

Chất rắn thu được nghiền mịn thành bột

- Bước 3: Tiến hành lọc, sấy khô và nghiền mịn hỗn hợp, sau đó được nung ở

2.4.7 Phương pháp chế tạo vật liệu nanosilica từ vỏ trấu

Quy trình điều chế nanosilica được áp dụng theo phương pháp của tác giả Phạm Tiến Đức và cộng sự [57] Cân khoảng 80 g vỏ trấu đã nghiền thành bột mịn trong cốc thuỷ tinh dung tích 1 lit có chứa 386 g nước cất hai lần và 14 g axit sunfuric đặc (H2SO4 98%), khuấy trong 5 giờ ở 1500C trên máy khuấy tử gia nhiệt Sau khi xử lý bằng axit, rửa nhiều lần bằng nước cất đến pH 6 Tiếp đó sấy khô mẫu ở 1000C trước khi chuyển

ra chén nung ở 8000C trong 24 giờ Mẫu được để nguội về nhiệt độ phòng sẽ được rửa lần 2 lần bằng axit H2SO4 loãng 5% Sau mỗi lần rửa vật liệu được rửa kĩ bằng nước cất

và nung lại ở ở 8000C trong 15 giờ để hoạt hóa bề mặt vật liệu Cuối cùng mẫu được để nguội trong bình hút ẩm desicator trước khi bảo quản trong lọ PE sạch

2.4.8 Phương pháp biến tính vật liệu nanosilica bằng protein

Cân 5 g vật liệu nanosilica đã chế tạo được trong 50 mL nước cất 2 lần, phân tán dung dịch silica và bảo quản trong lọ nhựa, lắc để thu được dung dịch đồng nhất Hút chính xác 1mL dung dịch đồng nhất trên cho vào ống falcon 15 mL sạch, khô Thêm lượng protein chùm ngây hoặc lysozyme khác nhau từ 50 đến 2500 mg/L để tìm nồng

độ cân bằng hấp phụ của protein, tiếp theo thêm nồng độ muối KCl khác nhau pha từ KCl 1M để nghiên cứu ảnh hưởng của lực ion Định mức bằng nước deion và chỉnh pH

từ 3-11 bằng KOH 0,1M hoặc HCl 0,1M để khảo sát ảnh hưởng của pH, lắc 2 h Sau đó,

li tâm lạnh ở 50C ở tốc độ 12.000 rpm lấy phần dung dịch bên trên xác định lượng protein

bằng phổ UV-Vis Phần chất hấp phụ được giữ lại và rửa bằng nước cất 2 lần để loại bỏ phần protein có thể còn trong dung dịch Vật liệu nanosilica đã được biến tính với protein được sử dụng để hấp phụ và xử lý kháng sinh

2.4.9 Phương pháp hấp phụ kháng sinh trên vật liệu nanosilica biến tính

protein, vật liệu Al 2 O 3 /SiO 2

Sau khi chế tạo và biến tính thành công các vật liệu, tiến hành hấp phụ kháng sinh LFX và CFX Nồng độ các kháng sinh ban đầu là 20 mg/L được thêm vào vật liệu, tiếp theo thêm nồng độ muối KCl khác nhau pha từ KCl 1M để nghiên cứu ảnh hưởng của lực ion Định mức bằng nước deion và chỉnh pH từ 3-11 bằng KOH 0,1M hoặc HCl 0,1M để khảo sát ảnh hưởng của pH, lắc 2 h Sau đó, li tâm lạnh ở 50C ở tốc độ 12.000 rpm lấy phần dung dịch bên trên xác định lượng kháng sinh bằng phổ UV-Vis

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng của vật liệu nanocomposite Al 2 O 3 /SiO 2

Vật liệu nanocomposite được xác định đặc tính bởi các phương pháp: phổ hồng ngoại (FT-IR), nhiễu xạ Rơnghen (XRD), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

3.1.1 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen X (XRD)

Giản đồ XRD của vật liệu nanocomposite Al2O3/SiO2 được thể hiện trên Hình 3.1 Các pic xuất hiện tại 2θ = 35o, 38o, 43,5o, 66o, 68o và 77o tương ứng với các mặt phẳng (104), (110), (113), (300), (116), (311) đặc trưng cho cấu trúc tinh thể của cấu trúc pha alpha α-Al2O3 [34] Góc 2θ trong khoảng 20-26° đặc trưng cho SiO2 ở trạng thái vô định hình [63]

Hình 3 1 Giản đồ XRD của vật liệu nanocomposite Al 2 O 3 /SiO 2

3.1.2 Phổ FT-IR

Tiến hành đo phổ hồng ngoại mẫu vật liệu Al2O3/SiO2 trong vùng phổ 400-4000

cm-1 Kết quả phổ hồng ngoại của vật liệu được biểu thị ở Hình 3.2