Nghiên cứu phản ứng oxi hóa glucose bằng hệ xúc tác Fe3O4NP–SiO2–Glucose oxidase

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐÀ NẴNG HỒNG NGỌC ÁNH NHÂN NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG OXI HỐ GLUCOSE BẰNG HỆ XÚC TÁC Fe3O4NP-SiO2-GLUCOSE OXIDASE Chuyên ngành: HÓA HỮU CƠ Mã số: 60 44 01 14 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Đà Nẵng, Năm 2017 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN MẠNH LỤC Phản biện 1: PGS.TS Lê Thị Liên Thanh Phản biện 2: GS.TS Đào Hùng Cường Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng  Thư viện trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vật liệu nano sâu vào đời sống đại dần thể vai trò quan trọng với đời sống Gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng nano từ (Magnetic nano particles – MNPs) thu hút nhiều ý nhà khoa học nhờ vào tính bậc độ tương thích sinh học, tính siêu thuận từ, diện tích bề mặt riêng lớn Cho đến nay, nano oxit sắt từ (Fe3O4NP) nhà khoa học giới tập trung khai thác, đặc biệt ứng dụng dẫn truyền thuốc, phân tách phân tử sinh học, cảm biến xúc tác sinh học, vật liệu thể tính chất từ đặc trưng mà vật liệu nano khác khơng có Trong số chất mang vô hữu sử dụng rộng rãi để cố định enzyme, vật liệu nano từ tính sở Fe3O4NP biến tính thể ưu điểm bật cả, đáp ứng yêu cầu khắt khe xúc tác sinh học như: độ tương thích sinh học cao nên hạn chế tối đa việc giảm hoạt tính enzyme sau cố định; diện tích bề mặt riêng lớn nên tăng cường khả chất chứa enzyme cải thiện khả tương tác enzyme chất; độ bền cao hạt nano từ trì có phương pháp biến tính phù hợp; tính chất siêu từ cho phép tách loại hoàn toàn enzyme khỏi sản phẩm phản ứng tái sử dụng chúng Chính ưu điểm bật mà thời gian gần đây, hướng nghiên cứu sử dụng Fe3O4NP làm chất mang enzyme thu hút nhiều nhà khoa học giới tập trung nghiên cứu, giải vấn đề có liên quan với mục tiêu trì tối đa hoạt tính enzyme sau cố định nano từ tính để tái sử dụng nhiều lần Trong công trình này, chúng tơi nghiên cứu phản ứng oxi hố glucose xúc tác enzyme nano từ tính Fe3O4NP – SiO2 – Glucose oxidase (Fe3O4NP – SiO2 – GOD), sở đề xuất phương pháp cố định enzyme hiệu để làm xúc tác sinh học ứng dụng chuyển hố hợp chất hữu nói chung y sinh nói riêng Với lý trên, chọn đề tài: “Nghiên cứu phản ứng oxi hóa glucose hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – Glucose oxidase” Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá hoạt tính hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – GOD phản ứng chuyển hố glucose, từ đề xuất phương pháp cố định enzyme lên vật liệu từ tính Fe3O4NP Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Phản ứng chuyển hoá glucose oxidase hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – GOD 3.2 Phạm vi nghiên cứu Điều kiện gắn kết có hiệu enzyme GOD lên bề mặt hạt nano sắt từ biến tính SiO2 đánh giá hoạt tính xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – GOD Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình chuyển hố glucose xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – GOD Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Thu thập, tổng hợp tài liệu có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đề tài: tổng hợp hạt Fe3O4NP; tính chất từ tính vật liệu Fe3O4NP; biến tính bề mặt Fe3O4NP oxit kim loại SiO2; kĩ thuật cố định enzyme lên chất mang + Phương pháp hoá học Phương pháp đồng kết tủa để điều chế Fe3O4NP từ hỗn hợp muối Fe2+ Fe3+ + Phương pháp phân tích vật lý Phân tích đặc trưng vật liệu Fe3O4NP, Fe3O4 – SiO2 – NH2, Fe3O4 – SiO2 – GOD: Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua – quét (TEM – SEM); Nhiễu xạ tia X (XRD); Phổ tán sắc lượng tia X (EDX); Đo đường cong từ trễ; Phân tích nhiệt DTA/TG; Phổ hồng ngoại IR Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu (03 trang), kết luận kiến nghị (01 trang), 50 tài liệu tham khảo (trang 71 75), luận văn gồm có phần: Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU Chương NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NANO OXIT SẮT TỪ (Fe3O4NP) 1.1.1 Giới thiệu vật liệu từ tính 1.1.2 Đặc tính đặc biệt hat nano từ tính 1.1.3 Các phương pháp tổng hợp hạt nano oxit sắt từ 1.1.4 Vật liệu nano từ tính ứng dụng làm chất mang xúc tác 1.1.5 Ứng dụng sinh học vật liệu nano từ tính 1.2 TỔNG QUAN VỀ ENZYME GLUCOSE OXIDASE 1.2.1 Giới thiệu enzyme glucose oxidase 1.2.2 Ứng dụng enzyme glucose oxidase 1.3 CỐ ĐỊNH ENZYME LÊN CÁC HẠT NANO OXIT SẮT TỪ 1.3.1 Định nghĩa enzyme cố định 1.3.2 Ưu nhược điểm enzyme cố định 1.3.3 Tính chất chế phẩm enzyme cố định 1.3.4 Phương pháp cố định enzyme 1.3.5 Cố định enzyme vật liệu nano 1.3.6 Cố định enzyme lên hạt nano oxit sắt từ 1.3.7 Tình hình nghiên cứu việc cố định enzyme Fe3O4NP 1.4 CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANO CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 2.1.1 Nguyên liệu Enzyme glucose oxidase từ Aspergillus niger mua từ công ty Sigma – Aldrich, dung dich glucose 10% 2.1.2 Dụng cụ hóa chất 2.2 CHUẨN BỊ CÁC DUNG DỊCH 2.2.1 Dung dịch đệm phosphate 2.2.2 Dung dịch enzyme glucose oxidase 2.2.3 Dung dịch glucose 2.3 TỔNG HỢP NANO OXIT SẮT TỪ - SIO2 – GLUCOSE OXIDASE 2.3.1 Tổng hợp hạt nano oxit sắt từ Tiến hành điều chế Fe3O4NP phương pháp đồng kết tủa từ hỗn hợp muối Fe2+ Fe3+ 2.3.2 Biến tính bề mặt Fe3O4NPs oxit kim loại SiO2 Hình 2.2 Sơ đồ điều chế Fe3O4 – SiO2 2.3.3 Chức hóa bề mặt Fe3O4 – SiO2 APTES Hình 2.3 Sơ đồ điều chế Fe3O4 – SiO2 – NH2 2.3.4 Cố định enzyme glucose oxidase lên Fe3O4 – SiO2 – NH2 Hình 2.4 Sơ đồ tổng hợp Fe3O4 – SiO2 – GOD 2.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC VẬT LIỆU 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 2.4.2 Phương pháp quang phổ hồng ngoại (FT-IR) 2.4.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét – truyền qua 2.4.4 Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X (EDX) 2.4.5 Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) 2.4.6 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA/TG) 2.5 NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG OXY HÓA GLUCOSE BẰNG HỆ XÚC TÁC Fe3O4 – SiO2 – GOD 2.5.1 Phản ứng oxy hóa glucose hệ xúc tác Fe3O4 – SiO2 – GOD Hình 2.5 Sơ đồ phản ứng oxy hoá glucose hệ xúc tác Fe3O4 – SiO2 – GOD 2.5.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình xúc tác 2.5.3 Thu hồi tái sử dụng hệ xúc tác Fe3O4 – SiO2 – GOD CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU Fe3O4 – SiO2 – GOD 3.1.1 Tổng hợp nano oxit sắt từ (Fe3O4NP) Hòa tan 5,56 g FeSO4.7H2O g Fe2(SO4)3 100 ml nước cất khuấy 30 phút môi trường Ar Thêm 50 ml dung dịch NH3 (25-28%) vào hỗn hợp dung dịch đến pH=9 Sau khuấy 60 phút, tăng nhiệt độ phản ứng lên 800C khuấy thêm mơi trường Ar Sau đó, để hỗn hợp dung dịch nguội đến nhiệt độ phòng, hạt kết tủa tách nam châm rửa nhiều lần nước cất ethanol đến đạt môi trường pH=7 Mẫu sấy 600C thu hạt nano oxit sắt từ 3.1.2 Tổng hợp hạt nanoshell Fe3O4 – SiO2 Cho 300 mg Fe3O4 vào 80 ml ethanol 20 ml nước cất, hỗn hợp rung siêu âm 30 phút để hạt phân tán Thêm giọt ml NH4OH tiếp đến 0,8 ml TEOs vào hỗn hợp khuấy nhiệt độ phịng mơi trường Ar Hỗn hợp sau phản ứng làm nguội đến nhiệt độ phòng, hạt kết tủa tách nam châm sau rửa nhiều lần với nước cất ethanol đến đạt môi trường pH=7 3.1.3 Tổng hợp Fe3O4 – SiO2 – NH2 Phân tán 300 mg Fe3O4 – SiO2 40 ml ethanol rung siêu âm 30 phút Thêm nhanh ml (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES) vào hỗn hợp khuấy nhiệt độ 400C mơi trường khí Ar Sau đó, hỗn hợp dung dịch làm nguội đến nhiệt độ phòng Các hạt Fe3O4 – SiO2 – NH2 tách nam châm rửa lần ethanol 3.1.4 Cố định enzyme glucose oxidase lên Fe3O4 – SiO2 – NH2 Phân tán 30 mg Fe3O4 – SiO2 – NH2 ml dung dịch đệm phosphate (0,01M; pH=7,4) cách rung siêu âm 10 phút; thêm 0,3 ml dung dịch glutaraldehyde (GA) 25% vào hỗn hợp khuấy giờ, hạt nano tách nam châm rửa với dung dịch đệm sau nhiều lần với nước cất thu hạt Fe3O4 – SiO2 – NH2 – GA Lấy ml enzyme glucose oxidase (0,5 mg/ml đệm phosphate pH=7,4) cho vào mẫu Fe3O4 – SiO2 – NH2 – GA chuẩn bị Hỗn hợp hạt nano-GOD ủ nhiệt độ phòng rung nhẹ Dùng nam châm để tách hạt nano gắn kết GOD (nano/GOD) khỏi hỗn hợp sau phản ứng Các hạt nano Fe3O4 – 10 Fe3O4 – SiO2 – NH2 (b), Fe3O4NP – SiO2 – GOD (c) xuất góc = 30,20; 35,50; 43,20; 57,10 62,70 ứng với đỉnh nhiễu xạ (220), (311), (400), (511) (440) Các đỉnh nhiễu xạ cực đại mẫu vật liệu ứng với đỉnh chuẩn cấu trúc nano oxit sắt từ phổ chuẩn Điều chứng tỏ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể lập phương spinel Sau biến tính bề mặt hạt nano oxit sắt từ xuất đỉnh đặc trưng góc cường độ phản xạ bề mặt bị giảm peak đặc trưng điều chứng tỏ q trình biến tính bề mặt hạt nano oxit sắt từ không làm thay đổi pha hạt Fe3O4 làm thay đổi bề mặt tinh thể hạt Fe3O4 Như từ kết phổ XRD kết luận phần gắn kết chất lên bề mặt Fe3O4 3.2.2 Ảnh TEM Hình ảnh TEM ghi máy JEOL Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu Kết ảnh TEM thể hình 3.12 Hình 3.12 Ảnh TEM Fe3O4 (A), Fe3O4NP – SiO2 – NH2 (B), Fe3O4 – SiO2 – GOD (C) 11 Ảnh TEM cho thấy hạt nano có hình dạng gần cầu elip Kích thước Fe3O4NP khoảng từ 11 20 nm Kết q trình biến tính bề mặt hạt nano oxit sắt từ cho thấy khơng có thay đổi hình dạng đáng kể Fe3O4 – SiO2 – NH2 cấu trúc lõi võ có kích thước trung bình khoảng 15 22 nm.Các hạt Fe3O4 – SiO2 – GOD có dạng hình cầu kích thước trung bình khoảng từ 17 24 nm Kết đo kích thước TEM Fe3O4, Fe3O4NP – SiO2 – NH2, Fe3O4 – SiO2 – GOD phù hợp với kích thước đo nhiễu xạ tia X 3.2.3 Ảnh SEM Chụp ảnh SEM máy Jeol 5410 Viện vệ sinh dịch tễ Trung Ương Hình 3.13 Ảnh SEM Fe3O4 (A), Fe3O4NP – SiO2 – NH2 (B), Fe3O4NP – SiO2 – GOD (C) Ảnh SEM cho thấy hạt nano mẫu vật liệu tồn dạng gần hình cầu ứng với vật liệu hạt có kích thước hạt tương đối đồng Khi biến tính cố định enzyme lên bề mặt 12 hạt nano Fe3O4, hình thái vật liệu không thay đổi so với chất mang ban đầu 3.2.4 Phổ hồng ngoại (FTIR) Phổ hồng ngoại ghi máy Nicolet iS10 FT – IR Khoa Hoá trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 3.6 (A) 3485 3.4 3.2 627 1129 1041 2.4 590 2.6 447 2.8 1629 Absorbance 3.0 2.2 2.0 1.8 1.6 3000 2500 2000 Wavenumbers (cm-1) 1500 1000 500 1097 3500 2.6 2.4 (B) 2.2 1206 468 1.8 1.6 947 1.0 0.8 800 1630 1.2 564 1.4 3413 Absorbance 2.0 0.6 4000 3500 3000 2500 2000 Wavenumbers (cm-1) 1500 1000 1081 1.50 500 1.40 1.30 (C) 1221 1.10 0.60 463 669 576 955 876 801 1394 0.70 1654 2988 2360 2334 0.80 2901 0.90 3421 1.00 3649 Absorbance 1.20 0.50 3500 3000 2500 2000 Wavenumbers (cm-1) 1500 1000 Hình 3.14 Phổ FTIR Fe3O4 (A), Fe3O4 – SiO2 – NH2 (B), Fe3O4 – SiO2 – GOD (C) 500 13 Hình 3.14(A) phổ hạt nano Fe3O4 Đỉnh 590 cm-1, 3485 cm-1, 1629 cm-1 dao động kéo căng Fe – O, dao động kéo căng O – H dao động bị biến dạng O – H Sự xuất đỉnh 3485 1629 cm-1 hạt nano Fe3O4 tổng hợp môi trường nước nên phủ số nhóm -OH Quang phổ Fe3O4 – SiO2 – NH2 (hình 3.11(B)) cho thấy đỉnh mạnh 1097 cm-1 800 cm-1, tương ứng với peak dao động hoá trị bất đối xứng đối xứng liên kết Si – O – Si Những dao động biến dạng hấp thụ đỉnh Si – – Si Si – OH quan sát peak 468 cm-1 947 cm-1 Hai dải sóng 3413 cm-1 1630 cm-1 dao động hoá trị liên kết N – H dao động biến dạng liên kết N – H nhóm -NH2 Hình 3.14(C) phổ Fe3O4 – SiO2 – GOD Đỉnh 1654 cm đặc trưng cho dao động biến dạng liên kết N – H amin -1 bậc 1394 cm-1 dao động hóa trị liên kết C – N amin bậc Vùng phổ xuất khoảng 2901 – 2988 cm-1 dao động đối xứng bất đối xứng nhóm CH2 CH3 tìm thấy protein lipid Tại đỉnh 3421 cm-1 dao động kéo căng O – H N – H có nước protein Từ kết APTES phủ bề mặt hạt nano thông qua phản ứng silanization enzyme GOD gắn kết bề mặt hạt Fe3O4 – SiO2 – NH2 3.2.5 Phổ phân tích thành phần nguyên tố (EDX) Phổ EDX ghi máy Emax – Horiba Viện vệ sinh dịch tễ Trung Ương Kết trình bày hình 3.16, 3.17, 3.18 14 Hình 3.16 Phổ EDX hạt nano Fe3O4 Phổ EDX Fe3O4 (hình 3.16) cho thấy đỉnh peak khu vực 0,75 keV; 6,5 keV tương ứng với lượng liên kết Fe Đỉnh peak có giá trị 0,5 keV ứng với nguyên tố oxy Hình 3.17 Phổ EDX Fe3O4 – SiO2 – NH2 Khi phủ lớp silica lên bề mặt hạt nano oxit sắt từ sau hoạt hoá chức APTES, kết đo phổ Fe3O4 – SiO2 – NH2 (hình 3.17) cho thấy cấu trúc Fe3O4 không bị thay đổi bị biến tính bề mặt (vẫn xuất peak 0,5 keV; 0,75 keV; 6,5 keV) Mặt khác phổ EDX Fe3O4 – SiO2 – NH2 có đỉnh xuất vùng 0,25 keV; 0,35 keV 2,75 keV có lượng liên kết C, N Si Điều chứng tỏ, trình bảo phủ biến tính bề mặt TEOs APTES thực 15 Hình 3.18 Phổ EDX Fe3O4 – SiO2 – GOD Thực cố định enzyme chất mang, phổ EDX Fe3O4 – SiO2 – GOD (hình 3.18) có đỉnh peak xuất khu vực phổ Fe3O4 – SiO2 – NH2, cường độ đỉnh vùng 0,25 keV; 0,35 keV; 0,5 keV ứng với lượng liên kết C, N, O có tăng cường độ peak chứng tỏ enzyme (thành phần có C, N, O) gắn kết thành công lên Fe3O4 – SiO2 – NH2 Từ kết phân tích thành phần hố học ngun tố có mẫu vật liệu phần khẳng định điều chế hạt Fe3O4, Fe3O4 – SiO2 – NH2, Fe3O4 – SiO2 – GOD 3.2.6 Phổ phân tích nhiệt (DTA/TG) Điều kiện đo DTA/TG: dịng khí trơ N2 từ nhiệt độ phịng đến 8000C với tốc độ gia nhiệt 100C/phút (A) 16 (B) (C) Hình 3.19 Phổ TGA/TG Fe3O4 (A), Fe3O4 – SiO2 – NH2 (B), Fe3O4 – SiO2 – NH2 – GOD (C) Hình 3.19 cho thấy khối lượng hạt nano khoảng nhiệt độ từ 60 – 1800 C chủ yếu lượng nước hấp thụ vật liệu Sự khối lượng nước hạt Fe3O4 khoảng 0,488%, Fe3O4 – SiO2 – NH2 3,692% Fe3O4 – SiO2 – GOD 5,574% Sự phân rã APTES xảy khoảng nhiệt độ 250 – 500 C, protein bắt đầu nhiệt độ 220 – 5000C mà chủ yếu 17 2800C Do vậy, khoảng nhiệt độ 250 – 6000C khối lượng hạt nano phủ APTES giảm khoảng 4,466% chủ yếu lớp phủ APTES Cũng khoảng nhiệt độ khối lượng hạt nano gắn kết GOD khối lượng lớp phủ APTES GOD khoảng 7,113% 3.2.7 Đường cong từ hóa (VSM) Để nghiên cứu tính chất từ mẫu nano Fe3O4, Fe3O4 – SiO2 – NH2, Fe3O4 – SiO2 – GOD nhiệt độ phòng tiến hành đo đường cong từ hóa sử dụng thiết bị từ kế mẫu rung Kết đo thể hình 3.20 Hình 3.20 Đường cong từ hóa Fe3O4 (A), Fe3O4 – SiO2 – NH2 (B), Fe3O4 – SiO2 – NH2 – GOD (C), so sánh mẫu (D) 18 Kết cho thấy mẫu nano Fe3O4, Fe3O4 – SiO2 – NH2, Fe3O4 – SiO2 – NH2 – GOD lực kháng từ gần 0, mẫu có tính chất siêu thuận từ Đường cong đường đối xứng, từ độ bão hòa (emu/g) tương đối cao, cụ thể từ đồ thị, từ độ bão hòa hạt nano Fe3O4, Fe3O4 – SiO2 – NH2, Fe3O4 – SiO2 – NH2 – GOD 75,18 emu/g; 55,03 emu/g 34,24 emu/g Từ kết đo đường cong từ hố kết luận vật liệu Fe3O4 – SiO2 – GOD tạo thành có độ từ bão hồ nhỏ so với vật liệu Fe3O4NP ban đầu, đủ lớn để tách khỏi mơi trường phân tán nhờ tác dụng từ trường ngồi Vì vậy, sử dụng vật liệu enzyme cố định MNPs tổng hợp cho mục tiêu sử dụng vật liệu từ tính làm chất mang ứng dụng có liên quan đến phân tách phân tử sinh học, xúc tác sinh học, 3.3 NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG OXY HOÁ DUNG DỊCH GLUCOSE BẰNG HỆ XÚC TÁC Fe3O4 – SiO2 – GOD 3.3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình chuyển hố glucose xúc tác hệ Fe3O4 – SiO2 – GOD a Kết khảo sát ảnh hưởng nồng độ glucose đến phản ứng xúc tác Điều kiện tiến hành: Fe3O4 – SiO2 – GOD: 0,5 g; 20 ml dung dịch glucose có nồng độ thay đổi là: 1%; 2%; 3%; 4%; 5%; 6%; 7%; 8%; thời gian phản ứng: 80 phút; nhiệt độ: nhiệt độ phòng (300C); pH=7,4 Sau phản ứng, tách Fe3O4 – SiO2 – GOD từ trường ngoài, tiến hành chuẩn độ iod để xác định hàm lượng glucose thừa Kết biểu diễn hình 3.22 19 Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ glucose đến phản ứng xúc tác Nhận xét: Khi tăng nồng độ glucose từ 1% đến 6% tốc độ chuyển hóa glucose tăng, điều giải thích nồng độ glucose tăng làm tăng tương tác enzyme glucose giúp trung tâm hoạt động enzyme kết hợp với chất để chuyển hóa thành sản phẩm phản ứng Tuy nhiên tiếp tục tăng nồng độ glucose từ 6% đến 8% tốc độ chuyển hóa gần không đổi Ở nồng độ 6% lượng glucose bão hòa, tâm xúc tác bề mặt enzyme hoạt hóa phản ứng với chất, việc tăng nồng độ glucose không làm thay đổi vận tốc phản ứng Như vậy, nồng độ glucose thích hợp cho phản ứng xúc tác 6% b Kết khảo sát ảnh hưởng thời gian đến phản ứng xúc tác Điều kiện tiến hành: Fe3O4 – SiO2 – GOD: 0,5 g; 20 ml dung dịch glucose có nồng độ 6%; thời gian phản ứng thay đổi: 30 phút; 60 phút; 90 phút; 120 phút; 150 phút; nhiệt độ: nhiệt độ phòng (300C); pH=7,4 20 Sau phản ứng, tách Fe3O4 – SiO2 – GOD từ trường ngoài, tiến hành chuẩn độ iod để xác định hàm lượng gluose thừa Kết biểu diễn hình 3.23 Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thời gian đến phản ứng xúc tác Nhận xét: Ở giai đoạn khơi mào phản ứng, tăng thời gian từ 30 phút đến 60 phút, vận tốc phản ứng tăng đạt cực đại 60 phút; hiệu suất tăng 30,3% Điều chứng tỏ giai đoạn phần lớn lượng glucose kết hợp với enzyme tạo phức chất trung gian chuyển hóa thành sản phẩm, dẫn đến tiếp tục tăng thời gian vận tốc phản ứng giảm Trong khoảng thời gian từ 60 phút đến 90 phút, hiệu suất phản ứng tăng 5,1%, từ 90 phút đến 150 phút, hiệu suất thay đổi khơng đáng kể Vì vậy, để đảm bảo lượng glucose chuyển hóa tối ưu phản ứng đạt trạng thái ổn định, chọn thời gian 90 phút để thực phản ứng xúc tác c Kết khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến phản ứng xúc tác 21 Enzyme glucose oxidase hoạt động tối ưu khoảng nhiệt độ từ 300C – 400C Ở nhiệt độ cao, GOD bị giảm hoạt tính xúc tác liên kết trì cấu trúc độ bền cấu trúc bậc liên kết hydro, tương tác Van der Waal, tương tác kị nước nhóm khơng phân cực,… bị phá vỡ; điều làm hạn chế ứng dụng GOD điều kiện môi trường khắc nghiệt Việc cố định enzyme bề mặt oxit sắt từ khắc phục nhược điểm mở rộng giới hạn chịu nhiệt enzyme Để đánh giá khoảng nhiệt độ hoạt động Fe3O4 – SiO2 – GOD, tiến hành khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến phản ứng xúc tác Điều kiện tiến hành: Fe3O4 – SiO2 – GOD: 0,5 g; 20 ml dung dịch glucose có nồng độ 6%; thời gian phản ứng: 90 phút; nhiệt độ: 300C; 400C; 500C; 600C; 700C; 800C; pH=7,4 Sau phản ứng, tách Fe3O4 – SiO2 – GOD từ trường ngoài, tiến hành chuẩn độ iod để xác định hàm lượng glucose thừa Kết biểu diễn hình 3.24 Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ đến phản ứng xúc tác 22 Nhận xét: Khi tăng nhiệt độ từ 300C – 500C, tốc độ phản ứng chuyển hóa enzyme tăng Điều giải thích tăng nhiệt độ phân tử hoạt hóa tăng va chạm phân tử glucose với Fe3O4 – SiO2 – GOD, dẫn đến tăng tương tác trung tâm hoạt động enzyme với chất Tại 500C, lượng glucose chuyển hóa cao (hiệu suất đạt 69,3%) Khi tăng nhiệt độ lên 600C, lượng glucose chuyển hóa giảm enzyme trì hoạt tính xúc tác với hiệu suất phản ứng 56,8%; 700C hiệu suất chuyển hóa đạt 39,2% Tuy nhiên, tiếp tục nâng nhiệt độ lên 800C hiệu suất giảm mạnh 16,9% Kết khảo sát cho thấy việc cố định enzyme GOD lên bề mặt hạt nano từ mở rộng giới hạn nhiệt độ enzyme lên 700C Fe3O4 –SiO2 – GOD hoạt động tối ưu 500C Kết luận: Tiến hành phản ứng oxy hóa glucose điều kiện cụ thể là: + 0,5 g Fe3O4 – SiO2 – GOD + 20 ml glucose 6% + Thời gian 90 phút; nhiệt độ: 500C; pH=7,4 3.3.2 Thu hồi tái sử dụng hệ xúc tác Fe3O4 – SiO2 – GOD Kết thúc q trình thực xúc tác phản ứng oxy hóa glucose, mẫu Fe3O4 – SiO2 – GOD tối ưu khảo sát mục 3.3.1 thu hồi cách sử dụng nam châm để tách hoàn toàn khỏi hỗn hợp dung dịch sau phản ứng Các hạt nano Fe3O4 – SiO2 – GOD rửa lần với nước cất sau bảo quản 40C để phục hồi Sau thời gian phục hồi, lấy mẫu Fe3O4 – SiO2 – GOD thực phản ứng xúc chuyển hóa glucose điều kiện tối ưu 23 khảo sát lần để đánh giá khả tái sử dụng Kết thể hình 3.25 Hình 3.25 Tái sử dụng hệ xúc tác Fe3O4 – SiO2 – GOD Nhận xét: Sau lần tái sử dụng hiệu suất chuyển hóa giảm dần từ 69,3% 50,2% Thực tái sử dụng lần 4, hệ xúc tác Fe3O4 – SiO2 – GOD bị giảm hoạt tính nhanh chóng, hiệu suất chuyển hóa cịn 26,8% so với ban đầu Nguyên nhân trình phản ứng tác dụng khuấy trình thu hồi rửa giải enzyme bị thất Mặc khác enzyme dần hoạt tính sau thực xúc tác nhiều lần Dựa vào kết nghiên cứu, đề nghị thực tái xúc tác lần để đảm bảo hiệu kinh tế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A KẾT LUẬN Qua trình thực đề tài: “Nghiên cứu phản ứng oxi hóa glucose hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – Glucose oxidase”, từ kết nhận trình thực luận văn, tơi rút kết luận sau: Đã tổng hợp hạt Fe3O4NP phương pháp đồng kết tủa từ hỗn hợp muối Fe2+ Fe3+ Từ chế tạo 24 hạt coreshell có cấu trúc lõi vỏ Fe3O4 – SiO2 thực chức hóa bề mặt Fe3O4 – SiO2 APTES hình thành nhóm chức –NH2 bề mặt hạt nano oxit sắt từ Cố định thành công enzyme GOD hạt Fe3O4 – SiO2 – NH2 thông phương pháp tạo liên kết chéo glutaraldehyde Ứng với 30 mg Fe3O4NP – SiO2 – NH2 cố định 3,171 mg enzyme glucose oxidase Sử dụng phương pháp phân tích xác định đặc trưng cấu trúc Fe3O4NP, Fe3O4NP – SiO2 – NH2, Fe3O4NP – SiO2 – GOD Kết cho thấy: biến tính cố định enzyme lên bề mặt không làm thay đổi cấu trúc hạt oxit sắt từ; hạt Fe3O4NP – SiO2 – GOD có dạng hình cầu kích thước khoảng 17 28 nm có tính siêu thuận từ với từ độ bão hịa 34,2 emu/g Q trình chuyển hố glucose hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – glucose oxidase thực với điều kiện: 0,5 g Fe3O4NP – SiO2 – GOD xúc tác cho 20 ml glucose 6% thời gian 90 phút 500C pH = 7,4 đạt hiệu suất 69,3% Hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – GOD tái sử dụng lần với hiệu suất chuyển hóa lần thứ 50,2% B KIẾN NGHỊ Tiếp tục đánh giá so sánh hoạt tính enzyme trước sau cố định bề mặt hạt nano oxit sắt từ Đi sâu vào nghiên cứu, phân tích động học phản ứng oxy hóa glucose xúc tác hệ Fe3O4NP – SiO2 – GOD ... (DTA/TG) 2.5 NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG OXY HÓA GLUCOSE BẰNG HỆ XÚC TÁC Fe3O4 – SiO2 – GOD 2.5.1 Phản ứng oxy hóa glucose hệ xúc tác Fe3O4 – SiO2 – GOD Hình 2.5 Sơ đồ phản ứng oxy hoá glucose hệ xúc tác Fe3O4... chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu phản ứng oxi hóa glucose hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – Glucose oxidase? ?? Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá hoạt tính hệ xúc tác Fe3O4NP – SiO2 – GOD phản ứng chuyển hố glucose, từ... sinh học, xúc tác sinh học, 3.3 NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG OXY HOÁ DUNG DỊCH GLUCOSE BẰNG HỆ XÚC TÁC Fe3O4 – SiO2 – GOD 3.3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình chuyển hố glucose xúc tác hệ Fe3O4