Chế tạo vật liệu tổ hợp chitosan fe3o4 Al(OH)3 cấu trúc nano và ứng dụng hấp phụ kim loại nặng (pb, cd, co, cu, ni) trong bảo vệ môi trường

Trong luận văn này, tác giả kết hợp 3 chất có khả năng hấp phụ là Fe3O4 kích thước nano, Al(OH)3 (với khả năng tạo mao quản làm tăng diện tích bề mặt vật liệu) và chitosan (có khả năng tạo phức với ion kim loại nặng) trong cùng một loại vật liệu với mục đích làm tăng khả năng hấp phụ của vật liệu, đồng thời khai thác được đặc trưng từ tính của vật liệu nhằm tách vật liệu sau hấp phụ khỏi dung dịch và tái tạo vật liệu bằng phương pháp đốt nhiệt từ giải hấp phụ.

MỞ ĐẦU

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường, ô nhiễm nguồn nước đang là thách thức của Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới Đặc biệt, kim loại nặng trong nước được đánh giá là một trong các nhóm tác nhân độc hại nhất đối với môi trường

và con người Kim loại nặng thường không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của các thể sinh vật và thường tích lũy trong cơ thể chúng, nên chúng rất độc hại với sinh vật Nhiễm độc kim loại ở người có liên quan đến các hiện tượng sinh quái thai, ung thư, loét da, chậm phát triển về trí tuệ, hư hại gan thận và nhiều loại bệnh khác Thêm vào đó, các phế thải chứa kim loại độc phát sinh từ những nguồn rất phổ biến như: khai mỏ, thuộc da, mạ điện, sản suất sơn, ác quy và đạn dược… Ngoài ra, hoạt động nông nghiệp cũng chính là một nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng Việc lạm dụng các loại phân bón hóa học, hóa chất bảo vệ thực vật đã làm gia tăng lượng tồn dư các kim loại trong đất Do đó, một nhiệm vụ đặt ra đối với các nhà khoa học hiện nay là tìm ra các phương pháp có hiệu quả để loại bỏ kim loại từ đất và các nguồn nước

Ở Việt Nam đã có một số biện pháp được đưa ra xử lí nhưng hiệu quả chưa cao, chi phí xử lí lớn, chưa triệt để… Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo vật liệu tối ưu, giá thành rẻ, dễ sử dụng, có khả năng tái sử dụng là rất cần thiết Một số vật liệu mới như nano sắt từ, Fe3O4 nano kết hợp Al(OH)3, chế phẩm PVA, PVA/Chitosan… đã được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong xử lí môi trường, đặc biệt là để tách kim loại nặng dạng ion ra khỏi nguồn nước, tuy nhiên hiệu quả chưa đạt như mong muốn Sự kết hợp cùng lúc nhiều vật liệu vừa có khả năng hấp phụ, vừa có những đặc trưng hữu ích khác với nhạu là một hướng mới trong nghiên cứu cả trong nước và trên thế

giới Trong luận văn này, tác giả kết hợp 3 chất có khả năng hấp phụ là Fe 3 O 4 kích thước nano, Al(OH) 3 (với khả năng tạo mao quản làm tăng diện tích bề mặt vật liệu) và chitosan (có khả năng tạo phức với ion kim loại nặng) trong cùng một loại vật liệu với mục đích làm tăng khả năng hấp phụ của vật liệu, đồng thời khai thác được đặc trưng từ tính của vật liệu nhằm tách vật liệu sau hấp phụ khỏi dung dịch

Bên cạnh đó, việc ứng dụng hạt nano Fe3O4 và khai thác đặc trưng của chitosan hay dẫn xuất của nó đặc biệt được chú ý trong lĩnh vực y sinh học Sở dĩ như vậy là

do các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4 có khả năng tương tác với từ trường ngoài Ngoài

ra, các hạt nano từ tính Fe3O4 được xác nhận là không gây độc với cơ thể và có thể được điều chế một cách dễ dàng với lượng lớn bằng phương pháp đồng kết tủa Chúng có thể được đưa vào cơ thể để phục vụ cho những mục đích như dẫn thuốc đến tế bào ung thư, điều trị ung thư bằng nhiệt trị, tăng chất lượng ảnh cộng hưởng

từ, … ; hoặc được sử dụng ở bên ngoài cơ thể như: cố định enzym, phân tích miễn dịch, phân tách các phần tử sinh học, làm các biosensor trong việc phát hiện bệnh,…

Ung thư là một căn bệnh nan y Tỉ lệ tử vong do ung thư chỉ đứng sau bệnh tim mạch Chi phí để điều trị bệnh ung thư là một gánh nặng của xã hội nhưng chưa thật

sự mang lại hiệu quả mong muốn Chính vì vậy, điều trị bệnh ung thư là vấn đề thời

sự của khoa học y học Tuy nhiên việc chế tạo ra các loại dược phẩm có khả năng chữa trị tốt mà không gây nguy hại cho cơ thể người bệnh đến nay vẫn là vấn đề nan giải

Các thuốc chữa trị bệnh ung thư hiện nay đều có nhược điểm chung là không tan trong nước, tính định hướng chọn lọc không cao đưa đến hiệu quả chữa trị thấp, độc tính lên các cơ quan tim, gan, thận và thần kinh cao Để hạn chế các nhược điểm này, các loại vật liệu mang thuốc có kích cỡ nano, có khả năng định hướng chọn lọc, chuyển tải và mang thuốc đến đúng tế bào ung thư được nghiên cứu rộng rãi Trong một số nghiên cứu gần đây, để tăng thêm tính hướng đích của các vật liệu mang thuốc, người ta lợi dụng tính chất của các hạt nano từ Fe3O4, đưa hạt nano từ mang thuốc vào cơ thểrồi dùng từ trường ngoài định hướng thuốc đến tế bào ung thư Việc dẫn truyền thuốc bằng hạt từ tính giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể, làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lượng thuốc điều trị Khi đi đến đúng tế bào ung thư, các tác nhân chống ung thư sẽ được nhả ra theo cơ chế nhả chậm, các chất mang thuốc sẽ được đào thải ra ngoài cơ thể theo con đường

bài tiết Đồng thời khi hạt từ được đưa vào cơ thể, nó còn có khả năng diệt tế bào nhờ quá trình đốt nhiệt bằng từ trường bên ngoài

Có nhiều ưu điểm như vậy nhưng Fe3O4 tự do không thể đưa trực tiếp vào cơ thể do các hạt Fe3O4 không tương thích sinh học, đồng thời kích thước nano làm cho các hạt oxit sắt từ có xu hướng kết tụ lại với nhau Nó cần được bao bọc bởi một lớp vỏ có tính tương hợp sinh học cũng như dễ dàng phân hủy sinh học Chitosan và dẫn xuất của nó vừa có tính chất thỏa mãn những yêu cầu đó, vừa đáp ứng được yêu cầu chi phí thấp do chitosan là polime thiên nhiên rẻ tiền và rất sẵn

có Kết hợp Fe 3 O 4 với chitosan và chitosan biến tính cho phép tạo ra được loại vật liệu có nhiều ứng dụng hiệu quả trong y sinh học

Trên cơ sở những điều vừa trình bày, tác giả luận văn chọn đề tài: “Nghiên

cứu, chế tạo hạt nano Fe 3 O 4 trên nền chitosan và ứng dụng trong xử lí môi trường và y sinh học”

Với các nội dung nghiên cứu chính:

- Chế tạo và nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu lai tạo CS/Fe3O4/Al(OH)3

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion kim loại Cu2+, Cd2+, Pb2+ và Co2+ của vật liệu CS/Fe3O4/Al(OH)3

- Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ ion Pb2+ của vật liệu sau hấp phụ bằng phương pháp đốt nhiệt từ

- Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng của chất lỏng từ Fe3O4/OCMCS và chất lỏng từ mang thuốc Fe3O4/OCMCS/curcumin

- Nghiên cứu khả năng đốt nhiệt và nhả chậm in vitro của chất lỏng từ nói trên

Mục đích nghiên cứu

- Chế tạo và nghiên cứu tính chất hạt nano từ tính từ vật liệu lai tạo vô cơ – hữu cơ

CS/Fe3O4/Al(OH)3 Ứng dụng hat nano từ tính đã chế tạo để loại bỏ ion kim loại nặng trong nước

- Chế tạo và nghiên cứu tính chất của chất lỏng từ Fe3O4/OCMCS,

Fe3O4/OCMCS/curcumin và nghiên cứu khả năng nhả chậm curcumin in vitro của

Các luận điểm cơ bản của luận văn

- Tổng quan về cấu trúc, tính chất, ứng dụng của chitosan và chitosan biến tính Tổng quan về cấu trúc, tính chất từ, phương pháp tổng hợp hạt nano từ Fe3O4 Tổng quan nhôm hidroxit Tổng quan về lí thuyết hấp phụ

- Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ CS/Fe3O4/Al(OH)3 và chất lỏng từ

- Thực nghiệm đốt nhiệt và nghiên cứu quá trình nhả chậm của chất lỏng từ

Đóng góp mới của tác giả

- Chế tạo được vật liệu hấp phụ mới CS/Fe3O4/Al(OH)3 có khả năng hấp phụ tốt hơn nhiều loại vật liệu đã công bố

- Dùng phương pháp đốt nhiệt giải hấp phụ được ion Pb2+ ra khỏi vật liệu sau hấp phụ

- Chế tạo và đặc trưng được tính chất của chất lỏng từ Fe3O4/OCMCS,

Fe3O4/OCMCS/curcumin Xây dựng đường đốt nhiệt của dãy các dung dịch

Fe3O4/OCMCS nồng độ khác nhau Xây dựng đường nhả chậm curcumin bằng phương pháp UV-Vis

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lí thuyết: Thu thập, tổng hợp, tổng quan tài liệu, tìm hiểu cơ sở lí thuyết của đề tài, cơ sở lí thuyết của các phép đo đặc trưng tính chất, cấu trúc của mẫu

- Phương pháp thực nghiệm: tiến hành thực nghiệm chế tạo mẫu, đồng thời sử dụng một số phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong quá trình khảo sát cấu trúc , tính chất của mẫu như:

o Phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại FTIR, phổ EDX

o Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM, hiển vi điện từ truyền qua TEM

o Phương pháp từ kế mẫu rung VSM, hệ đo các tính chất vật lí PPMS 6000

o Phương pháp phổ UV-Vis

o Các phương pháp khác

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1.Tổng quan về chitin (CT), chitosan (CS) và chitosan biến tính

1.1.1 Nguồn gốc [11, 12]

Chitin có chủ yếu trong vỏ cứng của các loài giáp xác như tôm, cua, mực, tảo biển, vỏ của bọ cánh cứng… Vì vậy sản lượng của CT là rất lớn, trong số các polime thiên nhiên, sản lượng của CT đứng thứ 2 chỉ sau xenlulo

Chitin có cấu trúc là một polisacarit, hình thái tự nhiên là các tinh thể ở trạng thái rắn, tùy thuộc vào mỗi loại nguyên liệu khác nhau, ta lại thu được các dẫn xuất khác nhau Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta đã chứng minh được Chitin tồn tại ở ba dạng cấu trúc khác nhau là α, β, và 𝛾, cả ba dạng này đều có cấu trúc tinh thể chặt chẽ và đều đặn, chỉ khác nhau ở sự sắp xếp các mạch phân tử trong tinh thể

Từ vỏ tôm, cua thường thu được α-Chitin, là loại Chitin có cấu trúc mạch ngược chiều nhau đều đặn nên ngoài liên kết hidro trong một lớp và hệ chuỗi còn có lực liên kết giữa các lớp, do các chuỗi thuộc lớp gần nhau nên rất bền vững Loại Chitin này là loại phổ biến nhất trong tự nhiên Trong vỏ tôm, cua chitin chiếm tỉ lệ khá cao 14%-35% β-Chitin thường được tách ra từ mai mực ống, loại này trong tự nhiên ít hơn nhiều so với α-Chitin, còn 𝛾-Chitin được tách ra từ sợi kén của bọ cánh cứng, mai mực nang, loại này có rất ít trong tự nhiên Hiện nay phần lớn chitin được sản xuất từ vỏ tôm, điều này là do sự sẵn có của loại nguyên liệu này Từ vỏ tôm người ta tiến hành tách protein, tách khoáng, loại bỏ chất màu (gọi chung là quá trình loại bỏ tạp chất) và thu được Chitin

Điều kiện tự nhiên của nước ta rất thuận lợi cho việc đánh bắt và nuôi trồng thủy sản Hàng năm sản lượng đánh bắt, nuôi trồng thủy hải sản của nước ta là rất lớn, tính riêng với tôm, con số này đã là hàng trăm nghìn tấn Cùng với sản lượng tôm lớn như vậy là một lượng chất thải không nhỏ của ngành công nghiệp chế biến tôm, cũng phải tính thêm lượng cua, mực được khai thác, so với tôm thì lượng này

không lớn nhưng những phế thải của chúng không thể không tính đến, đây là một

thách thức không nhỏ về môi trường vì vỏ tôm, cua, mai mực chứa chitin nên rất

khó phân hủy sinh học Nhưng ngược lại, đây lại là nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ

tiền để sản xuất Chitin/Chitosan Do đó, việc nghiên cứu, áp dụng các sản phẩm

dùng Chitin/Chitosan có ý nghĩa rất lớn cả về mặt kinh tế và môi trường, đó chính

là hướng phát triển bền vững

1.1.2 Cấu trúc và tính chất của Chitin và Chitosan [5, 7, 10, 17]

Bằng các phương pháp phân tích phổ (phổ cộng hưởng từ hạt nhân -NMR, và

phổ hồng ngoại -IR) người ta đã xác định được cấu trúc của Chitin/Chitosan rất

giống với xenlulo, trong xenlulo, nhóm –OH ở vị trí C2 của mỗi đơn vị D-glucozơ

Khi thay nhóm –OH của xenlulo bằng nhóm –NHCOCH3 ta được Chitin, còn nếu

thay bằng nhóm –NH2 ta được Chitosan

Chitosan là dẫn xuất của Chitin, thu được nhờ quá trình tách nhóm axetyl (–COCH3) ra khỏi Chitin, trên thực tế quá trình tách này thường không được hoàn

toàn nên người ta quy ước theo tỉ lệ tách nhóm axetyl (độ deaxetyl) như sau:

- Tỉ lệ tách nhóm axetyl < 50%,được gọi là Chitin

- Tỉ lệ tách nhóm axetyl >50%, được gọi là Chitosan

a) Cấu trúc và tính chất của Chitin

Tên hóa học của Chitin là Poli-β-(1-4)-N-axetyl-D-glucosamin, hay còn được

gọi là Poli-β-(1-4)-2-axetamit-2-deoxy-D-glucozơ, có công thức cấu tạo lý thuyết

như sau:

Chitin có màu trắng, không tan trong nước, kiềm, axit loãng, hay các dung môi hữu cơ thông thường Nó chỉ tan trong một số dung môi đặc biệt như: N,N-dimetyl axetamido (DMAc) có chứa 5-10% LiCl hay một số dung môi đã được flo hóa như hexafloaxeton và một số hệ dung môi khác dùng để hòa tan như axit focmit-axit dicloaxetic, axit tricloaxetic và đicloetan

Chitin có kết cấu bề mặt khá chặt chẽ, vì thế Chitin bền, khó tham gia vào các phản ứng hóa học Trong phân tử chitin/chitosan có chứa các nhóm chức (–OH), (-NHCOCH3) trong các mắt xích N-axetyl-D-glucozamin có nghĩa chúng vừa là ancol vừa là amit Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế (O-), dẫn xuất thế (N-), hoặc dẫn xuất thế (O-), (N-) Mặt khác chitin/chitosan là những polime mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết -(1-4)-glicozit; các liên kết này có thể bị cắt đứt bởi các chất hoá học như: axit, bazơ, tác nhân oxi hóa và các enzim thuỷ phân Chitin ít ứng dụng thực tế, chủ yếu được dùng để điều chế Chitosan

b) Cấu trúc và tính chất của Chitosan

Tên hóa học của Chitosan là Poli-β-(1-4)-N-axetyl-D-glucosamin, hay còn được gọi là Poli-β-(1-4)-2-amino-2-deoxy-D-glucozơ Chitosan là dẫn xuất deaxetyl của Chitin, công thức cấu tạo lý thuyết như sau:

Công thức phân tử đơn giản là (C6H11O4N)n

Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau, có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi, không vị, không tan trong nước, kiềm nhưng tan trong axit (pH ≤ 6), tạo dung dịch keo trong có khả năng tạo màng tốt Do có khả năng tan tốt hơn Chitin nên các ứng dụng của Chitosan cũng đa dạng hơn rất nhiều Nhiều tính chất của Chitosan phụ thuộc vào các thông số của nó

như khối lượng phân tử trung bình và độ deaxetyl, nên ta thường phải xác định các thông số này

1.1.3 Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của Chitosan

[6, 10, 15]

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử O và

N của nhóm chức còn cặp electron chưa sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+,

Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ Tùy nhóm chức trên mạch polime mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau

Ví dụ, phức Ni(II) với chitin có cấu trúc bát diện với số phối trí bằng 6, còn phức Ni(II) với chitosan có cấu trúc tứ diện với số phối trí bằng 4

Hình 1 1: Sơ đồ mô tả sự tạo phức giữa Ni(II) với CT, CS

1.1.4 Một số ứng dụng của chitosan

Chitosan và các dẫn xuất của nó có nhiều đặc tính quý báu như: có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có khả năng tự phân huỷ sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc hại cho người và gia súc Do vậy chitosan và một số dẫn xuất được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: dược học, y học, nông nghiệp, công nghiệp, công nghệ sinh học… Đặc biệt, chitosan và các dẫn xuất với đặc điểm có cấu trúc với các nhóm amin trong mạng lưới phân tử có khả năng hấp phụ tạo phức với kim loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II)… trong nước, do đó nó được quan tâm

tính chất hóa học, khả năng hấp phụ kim loại đã và đang là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm, từng bước được nghiên cứu và áp dụng vào giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trên Trái Đất…

* Ứng dụng trong xử lý nước:

Nước thải trong hoạt động khai thác mỏ, mạ kim loại, nhà máy điện, chế tạo thiết bị điện và đặc biệt là hoạt động của các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân, các cơ sở quốc phòng, v.v có chứa các kim loại có độc tính cao như crôm, cađimi, chì, thuỷ ngân, niken, đồng… cần được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường Kết tủa hoá học, oxy hoá khử, lọc cơ học, trao đổi ion, tách màng, hấp phụ trên vật liệu than…

là những phương pháp được sử dụng rộng rãi để tách kim loại nặng ra khỏi dòng thải

Trong những năm gần đây, hấp phụ sinh học, phương pháp sử dụng các vật liệu sinh học để tách kim loại hay các hợp chất và các hạt ra khỏi dung dịch, được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu quả về cả kinh tế và kĩ thuật để loại bỏ các kim loại gây nhiễm bẩn nguồn nước mặt và nhiều loại nước thải công nghiệp

Có nhiều loại chất hấp phụ có khả năng tách kim loại khỏi các dòng thải với chi phí thấp nhưng trong đó CS có dung lượng hấp phụ cao nhất CS có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng do có nhóm amino tự do trong cấu trúc CS được tạo thành khi deactyl hoá CT Các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng gấp 5 đến 6 lần so với CT Khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của CS

sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của CS lên nhiều lần

Một nhóm tác giả thuộc phòng nghiên cứu kỹ thuật công trình của quân đội Mỹ kết hợp cùng Trung tâm nghiên cứu & quản lý chất thải của Uỷ ban quản lý tài nguyên thiên và Trường đại học Tổng hợp Illinois đã kết hợp một loại vật liệu hấp phụ sinh học với màng CS trên nhôm oxit Vật liệu màng CS đã biến tính trên giá thể compoxit sứ - nhôm oxit hấp phụ đạt 153,8mg Cr6+ /g (với nồng độ ban đầu của

Cr6+ đều ở 1000mg/l) Ảnh hưởng của cấu trúc lỗ, độ phân bố kích thước lỗ xốp và giá trị pH tới dung lượng hấp phụ rất rõ rệt Ở giá trị pH thấp, dung lượng hấp phụ

tăng Sự có mặt ở nồng độ cao của ion sunfat và clorua sẽ làm giảm khả năng hấp phụ của kim loại

* Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và y học:

Chitosan có khả năng ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn như E.Coli Một số dẫn xuất của Chitosan diệt được một số loại nấm hại dâu tây, cà rốt, đậu và

có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài Có thể bảo quản các loại thực phẩm tươi sống, đông lạnh khi bao gói chúng bằng các màng mỏng dễ phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường Trong thực tế người ta đã dùng màng chitosan để đựng và bảo quản các loại rau quả như đào, dưa chuột, đậu, bưởi v.v Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói

Nhờ vào tính ưu việt của Chitosan, cộng với đặc tính không độc, hợp với cơ thể,

tự tiêu huỷ được, nên Chitosan đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm, làm thuốc chữa bỏng, giảm đau, thuốc hạ cholesterol, thuốc chữa bệnh dạ dày, chống đông tụ máu, tăng sức đề kháng, chữa xương khớp

và chống đựợc cả bệnh ung thư

Tại cuộc chiến Iraq vừa qua, Mỹ cũng đã sử dụng loại băng cứu thương kiểu mới, kỹ thuật cao, có thành phần cấu tạo bởi chất Chitosan So với các loại băng thường, tốc độ cầm máu, tính sát khuẩn và thời gian lành mô khi sử dụng loại băng này có hiệu quả hơn gấp nhiều lần Và từ lâu, một số chuyên gia ở Trung tâm Huyết học thuộc Viện Hàn lâm Y học Nga cũng đã phát hiện, Chitosan có thể ngăn chặn

sự phát triển của chứng nhồi máu cơ tim và bệnh đột quỵ Điển hình trên thị trường dược hiện nay là loại thuốc chữa khớp làm từ vỏ tôm có tên Glucosamin đang được thịnh hành trên toàn thế giới

1.1.5 Biến tính chitosan và ứng dụng của O-cacboxylmetyl chitosan (OCMCS) trong y sinh

Để ứng dụng được trong y sinh, đặc biệt việc đưa vật liệu nền chitosan vào trong cơ thể đòi hỏi vật liệu phải hòa tan và phân tán tốt trong môi trường cơ thể

là biến tính chitosan để thu được các dẫn xuất hòa tan tốt trong nước cũng như trong môi trường pH=7,4 của cơ thể

Trong số những dẫn xuất của chitosan, O-cacboxylmetyl chitosan là dẫn xuất tan trong nước, chứa đồng thời nhóm –COOH và nhóm –NH2 trong phân tử Dẫn xuất ete của nhóm OH ở C6 của chitosan này có nhiều tính chất ưu việt như không độc hại, chống được hoạt động của nấm và vi khuẩn, đồng thời có tính chất tương hợp và có khả năng phân hủy sinh học O-CMCS được tổng hợp từ chitosan theo sơ đồ:

Về mặt ứng dụng, O-CMCS được sử dụng để chế tạo chất dẫn thuốc vào cơ thể

và thực hiện quá trình nhả chậm thuốc trong cơ thể Trong công trình [s_20] Anitha

và các cộng sự đã tổng hợp hạt nano O-CMCS mang curcumin, hoạt chất chiết xuất

từ nghệ có khả năng chống ung thư Hạt nano O-CMCS mang curcumin được xác

định các đặc trưng và thực hiện thí nghiệm nhả chậm in vitro (trong điều kiện nhân

tạo tương tự trong cơ thể) Kết quả cho thấy hạt O-CMCS là chất mang thuốc chống ung thư (thường là chất kị nước như curcumin) có hiệu quả tốt

Bên cạnh ứng dụng mang thuốc, O-CMCS còn được kết hợp với Fe3O4 để ứng dụng trong phương pháp đốt nhiệt điều trị [51]

1.2 Tổng hợp và ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ

1.2.1 Cấu trúc tinh thể của Fe 3 O 4

Oxit sắt từ Fe3O4 (Magnetite) được viết dưới dạng: Fe+2

(Fe+3O2)2 hoặc FeO.Fe2O3 Trong đó, tỉ lệ Fe2+ và Fe3+ là 1:2 Hạt oxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể ferit lập phương cấu trúc spinel đảo, thuộc nhóm đối xứng Fd3m, hằng số mạng

a = b = c = 0,8396 nm Số phân tử trong một ô cơ sở Z = 8, gồm 56 nguyên tử trong đó có 8 ion Fe2+, 16 ion Fe3+ và 32 ion O2-

Bán kính của nguyên tử oxy lớn (cỡ 1,32Ao), do đó ion O2- trong mạng hầu như nằm sát nhau tạo thành một mạng lập phương tâm mặt [15T] Cấu trúc spinel

có thể xem như được tạo ra từ mặt phẳng xếp chặt của các ion O2- với các lỗ trống tứ diện và bát diện được lấp đầy bằng các ion kim loại Các ion kim loại chiếm vị trí trống bên trong và chia làm hai nhóm:

- Nhóm các chỗ mạng 8A (nhóm A) gọi là chỗ tứ diện, loại này có số phối trí bằng bốn, mỗi ion kim loại được bao bởi bốn ion O2-

- Nhóm các chỗ mạng 16B (nhóm B) gọi là chỗ bát diện, loại này có số phối trí bằng sáu, mỗi ion kim loại được bao bởi sáu ion O2-

Dựa trên quan điểm hóa trị phân chia ferit spinel thành các loại như sau [7T]:

- Spinel thường: Công thức chung có dạng Me[Fe2O4] = MeO Fe2O3, dấu móc vuông được sử dụng để đại diện cho vị trí bát diện Các cation kim loại Me2+ chiếm các vị trí tứ diện (A) và các ion Fe3+ chiếm các vị trí bát diện (B) Như vậy, tỉ số ion O2- bao quanh các vị trí A và B là 2/3

- Spinel đảo: Các ferit có số ion F e3 + đặt một nửa tại vị trí A, phần còn lại cùng với Me2+ chiếm vị trí B Sự sắp xếp này được biểu thị cho các hợp chất như

Fe3+[Me2+Fe3+]O42-, ở đây Me2+ = Mn2+

, Fe2+, Co2+, Cu2+, Ni2+

- Spinel hỗn hợp: Cation Me2+ và Fe3+ chiếm cả hai vị trí A và B Kiểu cấu trúc này được mô tả như sau:

(trong đó x là tham số biểu thị mức độ spinel đảo)

Với cấu trúc spinel đảo của Fe3O4, ion Fe3+ được phân bố một nửa ở nhóm A

và một nửa ở nhóm B, còn các ion Fe2+ đều nằm ở nhóm B Sự phân bố này phụ thuộc vào bán kính các ion kim loại, sự phù hợp cấu hình electron của các ion kim loại và ion O2- và năng lượng tĩnh điện của mạng

1.2.2 Tính chất từ

1.2.2.1 Khái quát về từ tính của vật liệu

Dưới tác dụng của một từ trường bên ngoài, phụ thuộc vào hưởng ứng của từ trường ngoài mà người ta phân vật liệu thành các dạng như sau: nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM) Hình 1 minh họa sự chuyển động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của hạt nanô từ tính (giữa) Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau Có thành phần là nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM) Phần lớn các chất hữu cơ có tính nghịc từ, một số ion của sắt có mặt trong các ferritin có tính thuận từ, hạt nanô từ tính được tiêm từ bên ngoài vào có tính sắt từ và siêu thuận từ

Hình 1 4: Mô hình minh họa sự chuyển động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của hạt nanô từ tính (giữa) Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau Có thành phần là nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM)

Giả sử từ trường ngoài đặt vào là H, sự hưởng ứng của vật liệu được gọi là từ

độ M, thì người ta định nghĩa cảm ứng từ B là: B = 0(H + M) Trong đó, 0 là độ

từ thẩm của chân không Từ độ M là số mô men từ của nguyên tử trên một đơn vị thể tích M = Nm/V (m là mô men từ nguyên tử) Độ cảm từ:  = M/H Vật liệu nghịch từ có độ cảm từ âm và nhỏ (10-6), vật liệu thuận từ có độ cảm từ dương và nhỏ (10-3 – 10-5), vật liệu sắt từ và siêu thuận từ có độ cảm từ dương và rất lớn (104)

1.2.2.2 Tính chất từ trong các hạt nano Fe 3 O 4

Magnetite (Fe3O4) thuộc loại vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính

liệu nhỏ đi, chuyển động nhiệt sẽ có thể phá vỡ trạng thái trật tự từ giữa các hạt thì vật liệu sắt từ trở thành vật liệu siêu thuận từ Đặc điểm quan trọng của vật liệu siêu thuận từ là có từ độ lớn khi có từ trường ngoài và mất hết từ tính khi từ trường ngoài bằng không

Đối với loại vật liệu sắt từ này, các mômen từ sắp xếp thành hai phân mạng phản song song nhưng độ lớn mômen từ trong hai phân mạng không bằng nhau, dẫn đến từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngoài bằng không và được gọi là từ độ tự phát Tồn tại nhiệt độ chuyển pha Tc (nhiệt độ Curie), khi T > Tc trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ

Đối với hạt sắt từ Fe3O4, hình dạng của vòng từ trễ được xác định một phần bởi kích thước hạt (hình 1.12) Các nghiên cứu [7,15T] đã chỉ ra rằng bản thân kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến cấu trúc đômen của vật liệu và từ đó ảnh hưởng đến đường cong từ hoá của vật liệu đó Khi hạt có kích thước lớn nó có cấu trúc đa đômen Mỗi đômen có véctơ từ độ hướng theo các hướng khác nhau Vì vậy cần có một từ trường ngoài đủ lớn để định hướng tất cả các véctơ từ độ của mỗi đômen theo hướng của từ trường ngoài, giá trị của lực kháng từ HC lớn Khi kích thước của hạt từ giảm đến một giới hạn nhất định thì sự hình thành các đômen không còn mạnh và không còn được ưu tiên nữa Lúc này hạt từ sẽ tồn tại như những đơn đômen (single domain), ở giới hạn này giá trị của Hc có giá trị cực đại, đường cong từ hoá phình ra Bán kính giới hạn để hạt tồn tại như một đơn đômen [28T]:

(1.8) Trong đó A là hằng số trao đổi, K là hằng số dị hướng

Đối với vật liệu Fe3O4: A = 1.28 10-11 J/m, K = 1,1.104 J/m3, tính được rC =

84 nm

Hình 1 5: Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước[ 15T ]

Như vậy, ở kích thước dưới 84 nm, hạt sẽ tồn tại như một đơn đômen, ở đó sẽ không còn quá trình dịch vách đômen mà chỉ còn quá trình đảo từ trong hạt đơn đômen Quá trình này bao gồm chuyển động quay của tất cả các mômen từ

Khi hạt từ đạt đến kích thước rất nhỏ nó trở thành trạng thái siêu thuận

từ Khi ấy, đường cong từ hoá của hạt siêu thuận từ là một đường thuận nghịch, có

từ dư Mr bằng không và giá trị của lực kháng từ Hc bằng không

1.2.3 Phương pháp tổng hợp hạt oxit sắt từ

Về nguyên tắc, có thể tổng hợp hạt nano oxit sắt từ theo hai nhóm phương pháp: nhóm phương pháp từ trên xuống (Top-Down) và nhóm phương pháp từ dưới lên (Bottom-Up) Nhóm phương pháp từ trên xuống gồm các phương pháp chia nhỏ vật liệu thô như nghiền hành tinh, nghiền rung Nhóm phương pháp từ dưới lên tập hợp các phân tử, nguyên tử thành hạt kích thước nm Nhóm này có thể được phân thành hai loại là các phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay [11T]) và các phương pháp hóa học (kết tủa từ dung dịch, hình thành từ pha khí, phương pháp điện hóa, phương pháp hóa siêu âm… [hải]) Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn, tác giả chỉ trình bày chi tiết phương pháp đồng kết tủa, phương pháp chính dùng để điều chế hạt nano Fe3O4 trong luận văn

Ở đây Fe2+

dễ dàng bị ôxi hoá vì vậy mà sản phẩm tạo ra có thể làm lệch tỷ lệ mong muốn giữa Fe2+ và Fe3+ Do đó thí nghiệm phải được tiến hành trong môi trường khí bảo vệ để tránh sản phẩm phụ ảnh hưởng tới độ tinh khiết của sản phẩm Một số những phản ứng phụ và sản phẩm của chúng:

Fe3O4 + 0,25O2 + 4,5H2O  3Fe(OH)3 (1.10)

Fe3O4 + 0,5O2  3Fe2O3 (1.11)

Trong dung dịch muối Fe(II) và Fe(III) tồn tại dưới dạng các ion phức aquơ Fe(H2O)62+ và Fe(H2O)63+ Các ion này bị thuỷ phân và cung cấp những phân tử sắt

có cấu trúc đơn đômen Một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra sự thuỷ phân của ion

Fe2+ và Fe3+ tạo ra những pha khác nhau của oxit và hidroxit sắt và sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào quá trình biến đổi này

Trong điều kiện thuận lợi: pH cao và nhiệt độ cao(≥ 600

C) ion hexa-aquơ thuỷ phân và tạo thành chuỗi mầm tinh thể liên kết với nhau Phản ứng thuỷ phân đơn giản được mô tả theo phương trình dưới đây mà ở đó z là hoá trị của ion kim loại còn n là số bậc của phản ứng thuỷ phân

Fe(H2O)6Z+ + 2nH2O  Fe(H2O)6-n(OH)n(z-n) + nH3O+ (1.12)

Những sản phẩm thu được từ phản ứng thuỷ phân của cả ion Fe2+ và ion Fe3+được đưa ra trong bảng sau:

Bảng 1.1: Sản phẩm của phản ứng thuỷ phân

Một phản ứng thuỷ phân nói chung được mô tả bằng phương trình phản ứng sau

mà sự tạo thành các dime và trime được thể hiện như bảng 1.3

Những sản phẩm của quá trình thuỷ phân tập hợp bên trong phức đa nhân bằng những phản ứng Olation và Oxolation sau đó chúng phát triển giống như những phản ứng ngưng tụ để tạo thành những hạt oxit và hidroxit sắt nhỏ

Độ pH đóng vai trò chính trong việc xác định ưu thế của phản ứng ngưng tụ xảy

ra giữa những sản phẩm của phản ứng thuỷ phân Trong những phản ứng Olation nguyên tử kim loại được kết hợp với nhau bằng liên kết cầu bởi nhóm hydroxyl để tạo thành phức đa nhân và sản phẩm phụ là nước

Hình 1 6: Mô tả sự phụ thuộc của phức kim loại vào pH và hoá trị của kim loại

Cơ chế của quá trình được mô tả như sau:

Một số cầu hydroxy được tạo ra bằng cơ chế Olation không bền và có thể thu được trong những hạt có thành phần là MOx/2(OH)(z-x) ví dụ như FeOOH và được

mô tả như sau:

Những phản ứng Oxolation được thực hiện trong phạm vi pH rộng và cuối cùng tạo ra những hạt oxit kim loại nhỏ nhờ quá trình kết tủa và được thực hiện như sau

Phức đa nhân thứ tự tạo thành của oxit và hydroxit sắt là một quá trình trung gian Khi bazơ được thêm vào dung dịch một phức đa nhân màu đỏ đậm được tạo ra

có công thức [Fe(II)Fe(III)2Ox(OH)2(3-x)]m2m+ và được mô tả bằng phản ứng sau: mFe2+ + 2mFe3+ + 6mOH-  [Fe(II)Fe(III)2Ox(OH)2(3-x)]m2m+ + mxH2O (1.8)

Phức này có tỷ lệ Fe(III)/Fe(II) giống với tỷ lệ của oxit sắt từ Sau đó phức có

đỏ đậm sẽ bắt đầu kết tủa tạo ra những hạt màu đen Fe3O4 khi ion OH- được thêm vào và pH của dung dịch đạt được 9-10 [23T]

Phương pháp đồng kết tủa là một trong những phương pháp thường được dùng

để tạo các hạt ôxit sắt Hydroxide sắt bị oxi hóa một phần bằng một chất oxi hóa khác hoặc tạo hạt từ Fe+2 và Fe+3 trong dung môi nước Sau đó rửa sạch kế tủa, sấy khô, nghiền Kích thước hạt và điện tích bề mặt được điều khiển bằng độ pH và

nồng độ ion trong dung dịch

Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay để điều chế hạt sắt từ Bản chất của phương pháp là tạo ra những oxit phức hợp thông qua các dạng kết tủa trung gian Phản ứng tạo kết tủa phụ thuộc vào tích số tan, khả năng tạo phức giữa ion kim loại

và ion tạo kết tủa, lực ion và độ pH của dung dịch Tính đồng nhất hóa học của oxit phức hợp tùy thuộc vào tính đồng nhất của kết tủa từ dung dịch Trong phương pháp đồng kết tủa , nếu chọn được điều kiện tốt, quãng đường khuyếch tán khi xảy

ra phản ứng pha rắn chỉ khoảng 10 đến 50 lần kích thước ô mạng cơ sở, nghĩa là nhỏ hơn rất nhiều lần phương pháp gốm cổ truyền Vì vậy sản phẩm thu được có tính đồng nhất cao hơn, bề mặt riêng lớn hơn, độ tinh khiết hóa học cao hơn, và tiết kiệm được nhiều năng lượng hơn

Ưu điểm: Phương pháp đồng kết tủa đơn giản, dễ chế tạo, cho kết quả nhanh,

chi phí thấp Ưu điểm của phương pháp đồng kết tủa không sử dụng tác nhân bề mặt là không cần phải trải qua quá trình tinh chế loại bỏ tác nhân bề mặt Khi sol nước của hạt không chứa tác nhân bề mặt thì người ta có thể sử dụng trực tiếp

Nhược điểm: Nhược điểm lớn nhất của phương pháp đồng kết tủa khó có thể

điều khiển được kích thước của hạt Yêu cầu hóa chất phải thật tinh khiết Phản ứng tiến hành trong môi trường khí quyển N2, các dung dịch chuẩn bị cho phản ứng đều phải được loại O2 cẩn thận

1.2.4 Ứng dụng của hạt nano oxit sắt từ

1.2.4.1 Ứng dụng để xử lý nước:

Có thể loại bỏ Asen trong nước bằng hạt nano oxit sắt; thực nghiệm cho thấy khi cho hạt nano oxit sắt từ với nồng độ 1g/l vào mẫu nước có chứa nồng

độ Asen là 0.1mg/l chỉ sau một phút thì nồng độ Asen đã giảm chỉ còn 0,0081mg/l dưới tiêu chuẩn của Bộ y tế cho phép (0,01mg/l)

Mới đây một nhà khoa học Nhật Bản đã có sáng kiến sử dụng hạt nanô

từ tính lọc nước bằng cách cho một loại vi khuẩn chuyên ăn các chất bẩn lơ lửng trong nước vào nước bẩn đã được hoà thêm các hạt nanô từ tính Bình thường các vi khuẩn có tác dụng “thu gom” chất bẩn Khi đã ăn no chúng tự chìm xuống đáy (do trọng lực) và mang theo các chất bẩn đã thu gom được do

đó làm cho nước trở nên trong Nếu trong nước có hạt nanô từ tính thì các vi khuẩn sẽ gom vào mình cả các chất bẩn thông thường lẫn các hạt nanô Khi

đó chỉ cần sử dụng một nam châm mạnh là ta có thể hút các vi khuẩn này làm cho chúng chìm xuống nhanh hơn do đó cũng làm nước trong nhanh hơn

Các ứng dụng của hạt nanô từ trong y sinh học được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể Trong luận văn này, tác giả chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã và đang được nghiên cứu Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ .[8, 9][iv],[v]

1.2.4.2 Phân tách và chọn lọc tế bào, ADN

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu; và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính Hạt nanô thường dùng là hạt oxit sắt Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polivinyl

alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ Giống như trong hệ miễn dịch,

vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, axit folic tìm thấy Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt

từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài

Hình 1 7: Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường (a) một nam châm được đặt ở bên ngoài để hút các tế bào đã được đánh dấu và loại bỏ các tế bào không được đánh dấu (b) nam châm có thể đặt vào một dòng chảy có chứa tế bào cần tách

Tế bào đánh dấu Dòng chảy

Tế bào thường

Từ trường

Hình 1 8: Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường sử dụng bốn thanh nam châm tạo ra một gradient từ trường xuyên tâm

Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được trình bày ở hình 6 Hỗn hợp tế bào

và chất đánh dấu (hạt từ tính bao phủ bởi một lớp chất hoạt động bề mặt hay polime) được trộn với nhau để các lên kết hóa học giữa chất đánh dấu và tế bào xảy

ra Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châm vĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại Hạn chế của phương pháp này là hiệu quả tách từ không cao [10] Để tăng hiệu quả người ta thường dùng một gradient từ trường lớn tác động lên một dòng chảy có chứa các hạt nanô từ tính cần tách lọc Thông thường người ta cho một số sợi từ hóa hoặc tiểu cầu từ tính trong lòng các ống rồi bơm dung dịch có chứa hạt nanô từ tính và tế bào liên kết với hạt nanô từ tính đi qua (hình 6, bên dưới) Trong công trình [11], hạt nanô từ tính sẽ dừng ở các sợi, các sợi có vai trò như nơi giam giữ hạt nanô từ tính và tế bào Phương pháp này có nhược điểm là hạt nanô từ tính và tế bào có thể bị mất mát do

bị tắc trong đám sợi Một phương pháp khác được sử dụng mà không cần sự có mặt của các đám sợi đó là dùng một gradient từ trường xuyên tâm tạo bởi bốn thanh nam châm như hình 7 Gradient từ trường xuyên tâm làm các tế bào đánh dấu từ bị hút về phía thành ống rất nhanh [12] Trong ứng dụng này dung dịch không chuyển động mà gradient từ trường chuyển động so với dung dịch đứng yên Phụ thuộc vào

độ linh động từ tính của tế bào đánh dấu từ tính mà các tế bào sẽ được tách ra khỏi dung dịch và được thu thập bằng một nam châm vĩnh cửu

Tách tế bào bằng từ trường đã được ứng dụng thành công trong y sinh học Đây

là một trong những phương pháp rất nhạy để có thể tế bào ung thư từ máu, đặc biệt

là khi nồng độ tế bào ung thư rất thấp, khó có thể tìm thấy bằng các phương pháp

khác [14] Người ta có thể phát hiện kí sinh trung sốt rét trong máu bằng cách đo từ tính của kí sinh trùng đánh dấu [15] hoặc đánh dấu các tế bào hồng cầu bằng chất lỏng từ tính [16] Ngoài ra, với nguyên tắc tương tự như phân tách tế bào, quá trình phân tách và làm giàu ADN cũng được thực hiện nhờ hạt nanô từ tính [17]

[20] Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phân tách tế bào Các chất mang thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u Các hạt có kích thước m (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu

lớn và các động mạch Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T

Hình 1.9: Nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nanô từ tính Một thanh nam châm bên ngoài rất mạnh kéo các hạt nanô từ tính gắn với thuốc đến vị trí mong muốn Ở đó quả trình nhả thuốc diễn ra làm cho hiệu quả sử dụng thuốc được tăng lên nhiều lần

Các hạt nanô từ tính thường dùng là oxit sắt (magnetite Fe3O4, maghemite 

-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như chitosan, PVA, dextran hoặc silica Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức cacboxyl, biotin, avidin, cacbodiimide,… [22-24] Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêm tốn

Người ta đã thành công trong việc hướng thuốc doxorubicin đến tế bào u bướu

ở đuôi chuột [25] Kết quả là kích thước của bướu giảm đi hoàn toàn nếu sử dụng hạt nanô từ tính dẫn thuốc Trong khi các thí nghiệm dựa trên thuốc không được dẫn bằng hạt nanô từ tính có nồng độ cao hơn 10 lần vẫn không triệt tiêu được bướu Một cải biến của phương pháp này là cấy một nam châm nhỏ vào một bướu xương

và tiêm hạt nanô mang thuốc bằng liposome so sánh với tiêm thuốc thông thường vào tĩnh mạch Kết quả cho thấy lượng thuốc đến bướu xương khi dùng hạt nanô từ tính lớn gấp 4 lần lượng thuốc đến bướu xương khi không dùng hạt nanô [28] Hơn

nữa, phương pháp này còn giảm thiểu các hiệu ứng phụ do thuốc gây ra [29] Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp này trên người còn hạn chế Một số nhóm đã nghiên cứu thử nghiệm pha 1 với chất lỏng từ tính cho 14 bệnh nhân Nghiên cứu cho thấy người ta có thể dẫn các hạt nanô từ tính đến các u bướu trong cơ thể người

mà không gây độc cho cơ thể [30, 31] Các nghiên cứu sau đó trên ung thư gan cho thấy kết quả ban đầu rất khả quan

Hạt nanô từ tính còn được ứng dụng trong trị liệu gen (gene therapy) Một gen trị liệu được gắn với hạt nanô từ tính Hạt nanô từ tính được giữ ở một vị trí nào đó dưới tác dụng của từ trường ngoài Khi siêu vi tiếp xúc với mô thì làm gia tăng khả năng truyền gen và thể hiện gen [34]

1.2.4.4 Đốt nhiệt từ

Phương pháp đốt các tế bào ung thư bằng từ trường ngoài mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường là một trong những ứng dụng quan trọng khác của hạt nanô từ tính Một trong những nghiên cứu đầu tiên về đốt nhiệt từ xuất hiện từ năm

1957 [35] Nguyên tắc hoạt động là các hạt nanô từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mô mong muốn sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều với tần số 1,2 MHz bên ngoài đủ lớn về cường độ và tần số để làm cho các hạt nanô hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xung quanh Nhiệt độ khoảng 42°C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ung thư trong khi các tế bào thường vẫn an toàn (Hình 10)

Hình 1.10: Nghiên cứu thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ cho thấy nhiệt độ bên ngoài và bên trong u bướu (hai đường trên cùng) cao hơn nhiều so với nhiệt độ của những vùng xung quanh (những đường dưới)

Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiều công trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nanô phù hợp để tạo

ra đủ nhiệt lượng khi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu

và phân bố của các mô

Phương pháp đốt nhiệt từ còn được ứng dụng trong việc giải hấp phụ khí Tác giả [Tuấn] đã trộn hạt từ với chất hấp phụ (đã hấp phụ bão hòa khí m-xylen) Hỗn hợp chứa hạt từ được đặt vào hệ thống đốt nhiệt Quá trình đốt nhiệt làm tăng nhiệt

độ hạt từ, do đó tăng nhiệt độ của chất hấp phụ, làm cho khí thoát ra khỏi bề mặt chất hấp phụ Lượng khí m-xylen giải hấp phụ được xác định lên tới 80%, thời gian đạt tới trạng thái bão hòa đối với các mẫu khác nhau chỉ từ 2 đến 7 phút Kết quả này cho thấy, phương pháp đốt nhiệt để giải hấp phụ khí có hiệu quả rất tốt

1.2.4.5 Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ (MRI)

Mặc dù mô men từ của một prôtôn rất nhỏ (bằng 1,5.10-3 mô men từ của electron) nhưng trong cơ thể động vật có một lượng rất lớn prôtôn (hạt nhân nguyên

tử hiđrô của phân tử nước, vào khoảng 6,6.1019 proton/mm3 nước) nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được Nếu tác dụng một từ trường tĩnh cố định có cường độ

B0 = 1 T thì sẽ có khoảng 2.1014 proton định hướng theo phương của từ trường ngoài B0 Tín hiệu này có thể đo được bằng hấp thụ cộng hưởng

Hạt nanô oxit sắt được bao phủ dextran có tính tương hợp sinh học và có thể được đào thải qua gan sau khi sử dụng Các hạt nanô này được phát hiện bởi màng lưới nội mô của cơ thể Độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên hiện tượng các mô khác nhau sẽ hấp thu khác nhau Ví dụ các hạt nanô có đường kính 30 nm có thể nhanh chóng đi vào gan và tì trong khi những cơ quan khác thì chậm hơn Như vậy, mật độ hạt nanô ở các cơ quan là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ trường địa phương cũng khác nhau làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng

hưởng từ khi đi từ mô này đến mô khác Các hạt nanô như là một chất tương phản MRI có thể đi đến tủy xương [42], mạch máu [43], hệ thần kinh [44]

Hình 1.11: Ảnh MRI của não chuột để phát hiện tế bào gốc cấy vào trong não Hình trên có

sử dụng các tế bào gốc đánh dấu bởi các hạt nanô từ tính, hình dưới không được đánh dấu

Hạt nanô từ tính được chức năng hóa để liên kết với một số mô nhất định sẽ có tác dụng đánh dấu hiệu quả hơn Hình 13 cho thấy ảnh MRI của não chuột để phát hiện tế bào gốc cấy vào trong não Hình trên có sử dụng các tế bào gốc đánh dấu bởi các hạt nanô từ tính, hình dưới không được đánh dấu Độ tương phản của các tế bào được đánh dấu khác biệt hẳn so vởi độ tương phản của các tế bào không được đánh dấu[48] Ngoài ra đánh dấu từ tính còn được áp dụng để quan sát thể hiện gen trong công nghệ gen[49] hoặc để nghiên cứu quá trình chết của tế bào[50]

1.3 Chế tạo hạt nanô từ tính bao trong một chất khác

1.3.1 Các kiểu bao bọc hạt nanô

Hạt nanô từ tính thường được bao bọc trong một vỏ hoặc nền phi từ tính có kích thước vài trăm nm (còn gọi là các tiểu cầu chứa hạt nanô) để tránh kết tụ khi không

có mặt của từ trường ngoài Việc bao bọc như thế tạo ra một bề mặt có tính tương hợp sinh học và dễ dàng chức năng hóa Việc chế tạo các tiểu cầu bên trong có, có kích thước micro hoặc nanô là một quá trình trong đó các chất ở thể khí, lỏng, rắn

có chứa muối sắt được bọc bên trong các lớp vỏ tạo bởi vật liệu thứ hai (có thể là polime hữu cơ hoặc vô cơ), lớp vỏ này có tác dụng bảo vệ và cách ly vật liệu làm lõi với môi trường đồng thời cũng quyết định các tính chất của lõi cho phù hợp với

Các tiểu cầu (microencapsulations) có thể có cấu trúc đa dạng và gồm có các phần chính là lõi và vỏ Hình dạng và các tính chất của lõi và vỏ, theo lý thuyết cho thấy có thể được điều chỉnh bằng cách khống chế các thành phần và các thông số chế tạo Dưới đây là một số dạng tiểu cầu tiêu biểu theo lý thuyết

Hình 1.12: Hình dạng điển hình của các tiểu cầu có chứa hạt nanô

Trong các dạng này, tỉ lệ lõi/vỏ và kiểu kết cầu là hai yếu tố cơ bản để tạo ra các cấu trúc khác nhau của tiểu cầu Tuy nhiên trong thực tế, tiểu cầu rất hiếm khi đồng đều và hình dạng của chúng có thể rất khác so với những dạng được mô tả ở trên Lưu ý rằng, ngoài các cấu trúc lõi - vỏ thông thường của tiểu cầu còn có cấu trúc mà trong đó các hạt nanô phân bố đều bên trong một nền chất mang Việc tạo ra các tiểu cầu có các tính chất như mong muốn và mang lại những lợi ích có tính ứng dụng trong khoa học sự sống, công nghệ sinh học, y học, dược học, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, sản suất giấy…

Việc lựa chọn các thành phần để làm lõi và vỏ được tiến hành phụ thuộc vào các tính chất mong muốn của sản phẩm cuối cùng, hướng áp dụng, và quy trình chế tạo Có rất nhiều vật liệu hữu cơ hay vô cơ để làm lõi đã được đem kết nang chẳng hạn như chất keo, các bon hoạt hóa các hợp chất hữu cơ, các chất xúc tác, dược phẩm và thuốc, các chất đối chiếu sử dụng trong việc chuẩn đoán, các enzyme hoạt hóa Hầu hết vỏ nang tạo bởi các polime tự nhiên hay tổng hợp, tuy nhiên, trên thực tế theo một số báo cáo cho thấy còn có thể sử dụng các axít béo, thậm chí còn

sử dụng các vật liệu dạng có dạng ‘glass’

Tỉ lệ lõi/vỏ là một yếu tố quan trọng để chế tạo nên các tiểu cầu Việc điều chỉnh cả hai thông số độ dày của vỏ và tỉ lệ lõi/vỏ là rất quan trọng đối với viêc chế tạo tiểu cầu Chẳng hạn, độ dày vỏ thường tác động đến sự giải phóng của chất hoạt tính làm thay đổi thời gian tồn tại của sản phẩm cuối cùng …

1.3.2 Các nguyên tắc chế tạo các tiểu cầu chứa hạt nanô

Sau đây là một số phương pháp hiệu quả để chế tạo các tiểu cầu Phần dưới đây trình bày một số phương pháp thường được dùng để chế tạo tiểu cầu chứa hạt nanô

Nói chung, người ta có thể phân chia cách thức tổng hợp chất lỏng từ Fe3O4

thành 2 loại: i) bọc ex-situ và ii) bọc in-situ Mỗi một cách bọc có những ưu điểm

và nhược điểm riêng

Bọc ex-situ: là cách bọc mà các hạt nano Fe3O4 và copolime được tổng hợp

riêng rẽ, sau đó từ các chất tổng hợp được mới tiến hành quá trình bọc (Cách 1) Bọc in-situ: là cách bọc mà các quá trình xẩy ra đồng thời, có thể phân chia thành 2 cách nhỏ sau: Cách 2: Tổng hợp sẵn các hạt nano từ tính Fe3O4 Quá trình

bọc được thực hiện đồng thời với quá trình đồng trùng hợp tạo copolime Cách 3:

Tổng hợp sẵn dung dịch polime Quá trình bọc được thực hiện đồng thời với quá trình tổng hợp Fe3O4

1.3.4 Ảnh hưởng của việc bọc đến tính chất của hạt từ

Vì Fe3O4 dễ bị oxi hóa trong điều kiện bảo quản thông thường, nên khi đã được bao bọc bảo vệ bên ngoài thì độ bền của Fe3O4 được tăng cường Tất nhiên sự có mặt của một lớp vỏ bọc liệu có ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất từ, … của phần lõi

Fe3O4 bên trong? Một số nghiên cứu đã được tiến hành để làm rõ sự ảnh hưởng trên

Về cấu trúc:

Việc nghiên cứu giản đồ nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ Raman của hạt Fe3O4 và

hệ Fe3O4 – axit oleic theo thời gian [1] đã cho thấy rằng hệ bọc vẫn giữ được những tín hiệu đặc trưng trong giãn đồ nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ Raman, điều này chứng tỏ cấu trúc của lớp nhân Fe3O4 trong hệ bọc là không thay đổi và hệ bọc tạo thành là khá bền vững

Về tính chất từ:

Khi các hạt nano từ tính Fe3O4 được bọc thì rõ ràng lớp bọc sẽ làm tăng khối lượng của hạt từ, và hơn nữa làm giảm tương tác từ của các hạt Fe3O4, điều này dẫn đến từ độ bão hòa (emu/g) của hệ bọc sẽ giảm

Độ bền từ theo thời gian:

Theo [1] do sự oxihóa Fe3O4 mà từ tính của Fe3O4 sẽ giảm rất nhanh sau một thời gian chế tạo, nhưng khi được bọc, tính chất từ của nó thay đổi không đáng kể

Hình 1.13 : Sự phụ thuộc của từ độ bão hòa của mẫu Fe 3 O 4 và Fe 3 O 4 – OA (axit oleic) theo

thời gian phơi mẫu ngoài không khí [1]

Như vậy, với ưu điểm về khả năng tương tác với từ trường ngoài, hạt từ đã và

đang thu hút được nhiều nghiên cứu để đem lại những ứng dụng to lớn Nhìn chung

một hạt từ có cấu tạo gồm: i) phần lõi là các hạt nano từ tính Fe3O4, ii) lớp bọc bảo

vệ/ổn định hạt từ, iii) lớp bọc chức năng Cấu tạo của hạt từ được mô tả như trong

hình vẽ dưới đây :

Hình 1.14: Cấu tạo của hạt từ được chức năng hóa

1.3.5 Một số ứng dụng của hạt nanô từ tính được bao bọc trong chất khác

Các bảng dưới đây trình bày một số ứng dụng của hạt nano từ tính được bao

bọc bởi các loại polime khác nhau

Bảng 1.2: Hạt nanô từ tính bao bọc bởi các polime tự hủy sinh học

Erythrocytes Dẫn thuốc Tách tế bào

Albumin Dẫn thuốc Tách tế bào

Starch Dẫn thuốc Xạ trị MRI

Dextran Tách tế bào Cố định enzym MRI

Đốt nhiệt từ Dẫn thuốc

Tách tế bào, siêu vi, kí sinh trùng

Bảng 1.4: Một số loại polime thường dùng để chức năng hóa bề mặt hạt nanô

từ tính

Poliethylene glycol Tăng thời gian lưu thông trong hệ tuần hoàn

Polivinylpyrrolidone Tăng thời gian lưu thông trong hệ tuần hoàn

Polivinyl alcohol (PVA) Giúp hạt đồng nhất

Poliacrylic acid Tương hợp sinh học

Polipeptides Sinh học tế bào, dẫn thuốc

Phosphorylcholine Ổn định hệ huyền phù

Poli (D, L- lactide) Tương hợp sinh học

Poli(N-isopropylacryl amide) Dẫn thuốc, tách tế bào

1.4 Khái quát về nhôm hidroxit

Từ lâu, người ta đã sử dụng phèn nhôm để loại bỏ chất bẩn trong nước Phèn nhôm chứa thành phần Al2(SO4)3 Al2(SO4)3 khi tan trong nước sẽ thuỷ phân tạo thành Al(OH)3 kết tủa dạng keo Kết tủa keo này có tác dụng như một tấm lưới khi

nó lắng đọng thì các chất bẩn mắc vào nó cũng bị kéo xuống theo Kết quả là làm lắng đọng chất bẩn và làm cho nước trong hơn

Xuất phát từ ý tưởng đó các nhà khoa học nước ta [Cần thơ] đã sử dụng kết hợp hạt nanô từ tính Fe3O4 với Al2(SO4)3 để lọc nước Khi kết hợp hạt nanô từ tính

Fe3O4 với Al2(SO4)3 dưới tác dụng của từ trường ngoài các hạt nanô từ tính bị hút xuống dưới, các hạt này đi xuống chúng kéo tấm lưới nhôm hyđrôxít chuyển động theo Kết quả là nhôm hyđrôxít lắng đọng nhanh hơn hàng chục lần so với khi không dùng hạt nanô từ tính

Y.C.Sharma [Alumina ] và các cộng sự đã sử dụng nhôm oxit làm chất hấp phụ ion Ni2+ dựa trên cơ sở diện tích bề mặt lớn (do có cấu trúc mao quản) và số lượng lớn các vị trí hoạt động của nhôm oxit đối với ion kim loại Cùng bản chất với

Al2O3, tác giả cho rằng Al(OH)3 có khả năng hấp phụ tốt các ion kim loại, do đó trong luận văn này, tác giả đã kết hợp Al(OH)3 với Fe3O4 và chitosan để chế tạo ra loại vật liệu lai tạo mới có khả năng hấp phụ tốt hơn

1.5 Khái quát quá trình tách các ion kim loại nặng ra khỏi dung dịch nước bằng phương pháp hấp phụ

1.5.1 Một số khái niệm và lý thuyết về hấp phụ

1.5.1.1 Khái niệm về sự hấp phụ

Đa số các chất rắn có cấu tạo xốp đều có khả năng thu hút các phân tử khí và hơi, các chất tan trong dung dịch lên bề mặt của mình Các quá trình đó được gọi là quá trình hấp phụ Vậy hấp phụ là sự chất chứa chất khí hay chất tan trên bề mặt phân cách pha, trên bề mặt vật rắn hay lỏng

Có 2 loại hấp phụ là: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học Trong hấp phụ vật lý, lực Vandevan và quá trình hấp phụ là thuận nghịch Trong hấp phụ hoá học, lực hấp phụ có bản chất hoá học và quá trình hấp phụ là bất thuận nghịch Các chất hấp phụ được dùng nhiều trong thực tế là những chất có bề mặt riêng khá lớn như than hoạt tính, silicagen, nhôm oxit Các chất bị hấp phụ thường là hơi nước, các chất khí như O2, N2, CO2, hoặc các chất hoà tan trong dung dịch Mọi vật có năng lượng tự

lượng Quá trình hấp phụ làm cho sức căng bề mặt của chất hấp phụ giảm xuống, vì

thế hấp phụ là quá trình tự diễn biến

1.5.1.2 Quá trình hấp phụ đẳng nhiệt

Các số liệu thực nghiệm thu được khi nghiên cứu quá trình hấp phụ thường

được mô tả bằng các phương trình đẳng nhiệt Langmuir Lí thuyết này được xây

dựng dựa trên các luận điểm:

- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về năng lượng

- Trên bề mặt vật rắn chia thành từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động mỗi vùng

chỉ tiếp nhận một phân tử chất hấp phụ Trong trạng thái bị hấp phụ các phân tử trên

bề mặt rắn không tương tác với nhau

- Quá trình hấp phụ là động, tức quá trình hấp phụ và giải hấp phụ có tốc độ

bằng nhau khi trạng thái cân bằng đạt được Tốc độ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chưa

bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ giải hấp phụ tỉ lệ với các tâm bị chất hấp phụ

chiếm chỗ

Phương trình đẳng nhiệt cho bởi :

Trong đó: Ce - nồng độ cân bằng của ion kim loại trong dung dịch (mg/l);

q - lượng ion kim loại đã bị hấp phụ (mg/g);

qm - hằng số biểu thị dung lượng hấp phụ, còn được gọi là độ phủ đơn lớp bề mặt (mg/g);

KL - hằng số đặc trưng cho nhiệt hấp phụ (l/mg);

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

 Khi nồng độ dung dịch rất nhỏ, tức KLCe << 1, ta có: q = qmKLCe Như vậy lượng ion kim loại bị hấp phụ tỉ lệ thuận với nồng độ dung dịch cân

bằng

 Khi nồng độ dung dịch đủ lớn, KLCe >> 1, ta có: q→qm

Như vậy theo mô hình hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir thì lượng cấu tử bị

hấp phụ đầu tiên tăng tuyến tính theo nồng độ dung dịch, sau đó mức độ tăng này

giảm dần và đến một nồng độ đủ lớn thì lượng cấu tử bị hấp phụ sẽ đạt một giá trị không đổi nếu tiếp tục tăng nồng độ, chứng tỏ bề mặt chất hấp phụ đã được làm bão hoà bởi một đơn lớp các phân tử bị hấp phụ

Phương trình đẳng nhiệt Langmuir có thể chuyển về dạng tuyến tính:

Vậy, nếu phương trình đẳng nhiệt Langmuir mô tả đúng các kết quả thực nghiệm thì đồ thị biểu diễn mối quan hệ 1/q theo 1/Ce phải là đường thẳng có hệ số góc là 1/(KLqm) Từ đó có thể dễ dàng xác định được hằng số Langmuir KL và qm

1.5.1.3 Lý thuyết động học hấp phụ

Quá trình hấp phụ của chất hấp phụ lên bề mặt xốp gồm 3 giai đoạn:

- Chuyển từ lòng pha lỏng (khí) đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ

- Khuyếch tán vào các mao quản khí

- Hấp phụ: quá trình này làm bão hoà dần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm

độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, nên kèm theo toả nhiệt

Một đặc trưng quan trọng của quá trình hấp phụ là tốc độ hấp phụ Tốc độ hấp phụ có thể được xác định qua các phương trình:

a) Phương trình bậc nhất biểu kiến của Lagergren dạng tổng quát

Trong đó: qe,qt - dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t ;

k - hằng số tốc độ hấp phụ của quá trình hấp phụ bậc nhất;

Dạng tích phân của phương trình với điều kiện biên t = 0 → t và qt = 0 → qt

Biểu diễn ln(qe – qt) phụ thuộc t ta có đồ thị mô tả động học hấp phụ bậc nhất biểu kiến

b) Phương trình bậc hai biểu kiến:

Nếu tốc độ hấp phụ tuân theo quy luật động học bậc hai, phương trình động học

Với k2 là hằng số tốc độ hấp phụ của quá trình hấp phụ bậc hai biểu kiến Dạng tuyến tính của phương trình với điều kiện biên t = 0→t và qt = 0→qt

Biểu diễn t/qt theo t ta có đồ thị mô tả động học hấp phụ bậc hai biểu kiến

PHẦN II: THỰC NGHIỆM

2.1 Xác định đặc trưng của chitosan

Chitosan là một polime, thu được sau quá trình deaxetyl hóa không hoàn toàn chitin, do vậy các thông số cần xác định là khối lượng phân tử trung bình (M) và độ deaxetyl (DD) Các phương pháp thực hiện cần đơn giản, phù hợp với trang thiết bị hiện có, mặt khác lại phải cho các kết quả đáng tin cậy Do vậy phương pháp chuẩn

độ dẫn điện đã được dùng để xác định độ deaxetyl và phương pháp đo độ nhớt được dùng để xác định khối lượng phân tử trung bình

a) Xác định độ deaxetyl (DD) của chitosan

Độ deaxetyl của chitosan được xác định bằng phương pháp chuẩn độ độ dẫn điện Mẫu đem xác định độ deaxetyl được hòa tan trong HCl 0,05N, khuấy không gia nhiệt trong 18 tiếng Quá trình chuẩn độ được tiến hành ngay sau khi quá trình khuấy kết thúc, chuẩn độ bằng dung dịch NaOH 0,1N, độ dẫn điện của dung dịch được đo bằng máy Jenvay 4310 Độ deaxetyl của mẫu chitosan được xác định theo

công thức:

Trong đó: CB – là nồng độ của dung dịch NaOH (mol/l);

∆V – là hiệu số thể tích giữa hai bước nhảy (l), được xác định trên đồ thị;

mcs – là khối lượng chitosan trong dung dịch đem chuẩn độ (g);

Kết quả đo được dùng để vẽ đồ thị VNaOH – σ, từ đồ thị này xác định được ∆V Thay vào công thức (II.1) ta xác định được độ deaxetyl

b) Xác định khối lượng trung bình (KLPTTB) của chitosan

Phương pháp phổ biến nhất xác định khối lượng trung bình của các loại polime

là phương pháp đo độ nhớt của dung dịch Phương pháp này dựa vào phương trình Kunl- Mark- Howink biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhớt đặc trưng của dung dịch

η = k.Mα (2.2) Trong đó η là độ nhớt đặc trưng của dung dịch polime; k, α là các hệ số phụ thuộc bản chất của polime, hệ dung môi và điều kiện tiến hành thí nghiệm Với chitosan, độ nhớt được tính toán theo phương trình thực nghiệm Robbert:

k và α (theo 2.4) Độ nhớt đặc trưng được xác định thông qua đồ thị C - (ηt/η0-1)/C

Đồ thị này được xây dựng bằng cách đo độ nhớt của các dung dịch chitosan, với dung môi là hỗn hợp axit axetic 0,2M với natri axetat 0,3M Nồng độ chitosan là 1.10-4 ÷ 10.10-4 (g/ml) (10 dung dịch)

Độ nhớt của dung dịch được đo bằng máy đo độ nhớt SV - 10, tại Viện khoa học vật liệu - Viện khoa học và công nghệ Việt Nam (Hình 2.1)

Đây là loại máy đo độ nhớt hiện đại sử dụng phương pháp rung âm thoa để xác định độ nhớt dung dịch Phương pháp này có độ chính xác cao (1%), khoảng đo rộng (0,3-10000 cP), khả năng đo đa dạng, ngay cả khi thay đổi chất lỏng hay thay đổi nhiệt độ vẫn không cần thay thế cảm biến, đo được cả những chất lỏng có độ nhớt thấp, chất có tạo bọt… do tấm cảm biến mỏng và kích thước nhỏ nên máy có thời gian đáp ứng nhanh, giảm được nhiều nhất ảnh hưởng tới mẫu

Độ nhớt của dung dịch được xác định bằng cách đo dòng điện cần thiết để duy trì hai tấm cảm biến ở tần số xác định là 30Hz và biên độ nhỏ hơn 1mm, dung dịch

có độ nhớt lớn cản trở mạnh hơn với sự rung của các cảm biến, và ngược lại dung