Nghiên cứu phương pháp tách và đánh giá hiệu quả loại bỏ kháng sinh beta lactam sử dụng silica biến tính từ vỏ trấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - BÙI THỊ KIỀU VÂN NGUYÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TÁCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LOẠI BỎ KHÁNG SINH BETA LACTAM SỬ DỤNG SILICA BIẾN TÍNH TỪ VỎ TRẤU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - BÙI THỊ KIỀU VÂN NGUYÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TÁCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LOẠI BỎ KHÁNG SINH BETA LACTAM SỬ DỤNG SILICA BIẾN TÍNH TỪ VỎ TRẤU Chun ngành: HĨA PHÂN TÍCH Mã số: 60440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS TẠ THỊ THẢO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM TIẾN ĐỨC Hà Nội - Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn TS Phạm Tiến Đức giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, mơn Hóa Phân tích nói riêng khoa Hóa học nói chung dạy dỗ, bảo động viên suốt thời gian học tập làm việc trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội Tôi cảm ơn phịng thí nghiệm khoa Hóa học – trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm thí nghiệm Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, anh chị em học viên, sinh viên Bộ mơn Hóa phân tích ln động viên tinh thần, tận tình giúp đỡ em thời gian học tập thực khóa luận Nghiên cứu luận văn tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 104.05-2016.17 Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2017 Học viên Bùi Thị Kiều Vân i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 19 DANH MỤC BẢNG .v DANH MỤC HÌNH vi CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .3 1.1 Giới thiệu kháng sinh họ β-lactam 1.1.1 Giới thiệu chung họ kháng sinh β-lactam .3 1.1.2 Kháng sinh Amoxicillin 1.1.2.1 Phổ tác dụng 1.1.2.2 Dược động học 1.1.2.3 Tính chất vật lí – hóa học 1.1.2.4 Tính chất quang học 1.1.2.5 Cơ chế kháng thuốc 1.1.2.6 Độc tính tai biến 1.1.3 Kháng sinh Cefixime 1.1.3.1 Phổ tác dụng 1.1.3.2 Dươc động học 1.1.3.3 Tính chất vật lí – hóa học 1.2 Các phương pháp phân tích kháng sinh họ β-lactam .8 1.2.1 Các phương pháp quang phổ 1.2.1.1 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV –Vis) 1.2.1.2 Phương pháp huỳnh quang phân tử 10 1.2.2 Các phương pháp điện hóa 11 1.2.3 Các phương pháp sắc ký 12 1.2.3.1 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC) 12 1.2.3.2 Phương pháp sắc ký điện di mao quản 15 1.3 Một số phương pháp xử lý kháng sinh họ β-lactam nước thải 17 ii 1.3.1 Phương pháp sinh học 17 1.3.2 Phương pháp oxi hóa tăng cường 17 1.3.3 Phương pháp hấp phụ 19 1.3.3.1 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ 19 1.3.3.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 21 1.3.3.3 Lý thuyết mơ hình bước hấp phụ 22 1.3.3.4 Một số cơng trình xử lý kháng sinh vật liệu hấp phụ 23 1.4 Giới thiệu vật liệu Silica 25 1.5 Giới thiệu polyme mang điện 27 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28 2.1 Đối tượng mục tiêu nghiên cứu 28 2.2 Nội dung nghiên cứu 28 2.3 Phương pháp nghiên cứu 29 2.3.1 Phương pháp đánh giá vật liệu 29 2.3.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 31 2.3.2.1 Nguyên tắc phép đo 31 2.3.2.2 Các phương pháp định lượng 32 2.3.3 Phương pháp tổng hợp biến tính vật liệu nanosilica .33 2.3.3.1 Tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu 33 2.3.3.2 Nguyên tắc biến tính vật liệu silica 34 2.4 Hóa chất, thiết bị dụng cụ thí nghiệm 36 2.4.1 Hóa chất 36 2.4.2 Thiết bị 36 CHUƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Đặc trưng vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 38 3.2 Biến tính bề mặt vật liệu nanosilica hấp phụ polyme PDADMAC .39 3.3 Xây dựng quy trình phân tích kháng sinh 41 3.3.1 Chọn bước sóng đo phổ 41 3.3.2 Khảo sát khoảng tuyến tính 43 iii 3.3.2.1 Khảo sát khoảng tuyến tính AMO 43 3.3.2.2 Khảo sát khoảng tuyến tính CEF 43 3.3.3 Xây dựng đường chuẩn 44 3.3.4 Đánh giá phương trình hồi quy đường chuẩn 47 3.3.5 Giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng 47 3.3.5.1 Giới hạn phát (limit of detection –LOD) 47 3.3.5.2 Giới hạn định lượng (limit of quantity – LOQ) 47 3.4 So sánh khả xử lý kháng sinh AMO sử dụng 48 3.5.2 Khảo sát sát ảnh hưởng pH tới hiệu suất xử lý AMO 50 3.5.3 Ảnh hưởng lượng vật liệu tới hiệu suất xử lý AMO 52 3.5.4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ muối KCl xử lý AMO 53 3.5.5 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 54 3.6 Khảo sát điều kiện hấp phụ xử lý kháng sinh CEF 56 3.6.1 Khảo sát thời gian hấp phụ xử lý kháng sinh CEF 56 3.6.2 Khảo sát ảnh hưởng pH tới khả xử lý CEF 58 3.6.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ muối KCl hấp phụ CEF 60 3.6.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ CEF 61 3.7 Đề xuất điều kiện tách AMO CEF 63 3.8 Cơ chế hấp phụ kháng sinh AMO CEF 64 3.8.1 Đánh giá thay đổi điện tích bề mặt vật liệu hấp phụ 64 3.8.2 Đánh giá thay đổi nhóm chức bề mặt phổ hồng ngoại 66 3.9 Áp dụng quy trình hấp phụ tối ưu để xử lý kháng sinh 68 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 PHỤ LỤC 82 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Độ hấp thụ quang kháng sinh AMO nồng độ khác 44 Bảng 3.2 Độ hấp thụ quang UV-Vis kháng sinh 45 Bảng 3.3 Kết khảo sát hiệu xử lý AMO theo thời gian 49 Bảng 3.4 Kết khảo sát ảnh hưởng pH 51 Bảng 3.5 Ảnh hưởng muối biến tính vật liệu tới khả xử lý AMO53 Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ đẳng nhiệt hiệu xử lý kháng sinh AMO 55 Bảng 3.7 Ảnh hưởng thời gian hấp phụ tới hiệu xử lý CEF 57 Bảng 3.8 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý CEF 59 Bảng 3.9 Ảnh hưởng nồng độ muối KCl tới khả xử lý CEF 60 Bảng 3.10 Giá trị hấp phụ đẳng nhiệt CEF 62 Bảng 3.11 Tổng hợp điều kiện hấp phụ tối ưu AMO CEF .63 Bảng 3.12 Kết xác định zeta mẫu pH khác 64 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc hóa học kháng sinh amoxicillin Hình 1.2 Cấu trúc hóa học kháng sinh cefixime Hình 1.3 Cách ghép tứ diện SiO2 25 Hình 1.4 Cơng thức cấu tạo polyme mang điện PDADMAC 27 Hình 2.1 Ảnh chụp vỏ trấu (a), vỏ trấu nghiền thành bột (b) 34 Hình 2.2 Cơ chế hấp phụ PDADMAC vào bề mặt vật liệu silica 35 Hình 2.3 Mức độ lưu giữ PDADMAC bề mặt vật liệu sau li tâm 35 Hình 2.4 Thiết bị quang phổ tử ngoại khả kiến 36 Hình 3.1 Giản đồ XRD vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 38 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại FT-IR vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 39 Hình 3.3 Ảnh SEM vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 39 Hình 3.4 Ảnh hưởng pH tới hấp phụ polyme 40 Hình 3.5 Ảnh hường nồng độ muối KCl 41 Hình 3.6 Phổ UV-Vis kháng sinh AMO 42 Hình 3.7 Phổ UV-Vis kháng sinh CEF 42 Hình 3.8 Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính kháng sinh AMO .43 Hình 3.9 Khoảng tuyến tính kháng sinh CEF 44 Hình 3.10.Đường chuẩn xác định AMO 45 Hình 3.11 Đường chuẩn xác định CEF 46 Hình 3.12 So sánh hiệu suất xử lý kháng sinh AMO …… 48 Hình 3.13 Ảnh hưởng thời gian tới cân hấp phụ AMO 50 Hình 3.14.Ảnh hưởng pH đến hiệu suất xử lý AMO 51 Hình 3.15 Ảnh hưởng lượng vật liệu tới hiệu suất xử lý AMO .52 Hình 3.16 Ảnh hưởng muối KCl 54 Hình 3.17 Hấp phụ đẳng nhiệt AMO 56 Hình 3.18 Ảnh hưởng thời gian tới cân hấp phụ CEF 57 Hình 3.19 Ảnh hưởng pH đến khả loại bỏ CEF 59 Hình 3.20 Ảnh hưởng nồng độ KCl đến khả loại bỏ CEF .61 vi Hình 3.21 Hấp phụ đẳng nhiệt CEF vật liệu nanosilica 62 Hình 3.22 Ảnh hưởng pH đến zeta vật liệu 65 Hình 3.23 Phổ FI-IR vật liệu SiO2 biến tính PDAMAC 66 Hình 3.24 Phổ FT-IR vật liệu SiO2 67 Hình 3.25 Phổ FT-IR vật liệu SiO2 67 Hình 3.26 Phổ UV AMO mẫu nước thải bệnh viện 69 Hình 3.27 Phổ UV CEF mẫu nước thải bệnh viện 69 Hình 3.28 Phổ UV hỗn hợp AMO CEF mẫu nước thải bệnh viện 70 vii CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu AMO AMP CEF CLO DPV FT_IR HPLC LOD LOQ OXA PENG PDADMAC SD SPE SWV TOC UV – Vis XRD viii (2011),“Voltammetric Determination of Amoxicillin at the Electrochemical Sensor Ferrocenedicarboxilic Acid Multi Wall Carbon Nanotubes Paste Electrode”, Int J Electrochem Sci, (2011), pp 1355 – 1366 41 Márcio F Bergamini, Marcos F.S Teixeira, Edward R Dockal, Nerilso Bocchi and Éder T.G Cavalheiro (2006), “Evaluation of Different Voltammetric Techniques in the Determination of Amoxicillin Using a Carbon Paste Electrode Modified with [N , N ′ -ethylenebis (salicylideneaminato)] oxovanadium(IV)”, J Electrochem, pp 94-98 42 M Kobayashi, F Juillerat, P Galletto, P Bowen, M Borkovec(2005), “Aggregationand Charging of Colloidal Silica Particles:  Effect of Particle Size”, Langmuir, 21, pp 5761-5769 43 M Kobayashi, M Skarba, P Galletto, D Cakara, M Borkovec (2005), “Effects of heat treatment on the aggregation and charging of Stöbertype silica”, Journal of Colloid and Interface Science, 292, ap 139-147 44 Mohammad , Boshir Ahmed, JohnL.Zhou, Huu Hao Ngo, Wenshan Guo (2015), “Adsorptive removal of antibiotics from water and wastewater: Progress and challenges”, Science of the Total Environment, 542, pp 112 -136 45 M.I Bailon-Perez, A.M.Garcia-Campana, C Cruces-Blanco, M del Olmo Iruela (2008), "Trace determination of β-lactam antibiotics in environmental aqueous samples using off-line and on-line preconcentration in capillary electrophoresis", Journal of Chromatography A, 185(2), pp 273-280 46.Omed I Haidar (2015), “Simple Indirect Spectrophotometric Determination of Amoxicillin in Pharmaceutical Preparations”, Journal of Natural Sciences Research, pp 142-146 47 Shemer, H., Kunukcu, Y.K., *Linden, K.G (2006), “Degradation of the 78 Pharmaceutical Metronidazole Via UV, Fenton and photo-Fenton Processes”, Chemosphere, 63, pp 269-276 48 Shuang xing Zha, Yan Zhou, Xiaoying Jin, Zuliang Chen (2013), “The removalof amoxicillin from wastewater using organobentonite”, Journal of Environmental Management, 129, pp 569 –576 49 Tanaka, Kim, Iiho, Hiroaki (2010), “Useofozone-based processes for theremoval of pharmaceuticals detected in a wastewater treatment plants”, Water inviroment research, 82(8), pp 294-301 50 Tien Duc Pham, Motoyoshi, Kobayashi and Yasuhisa Adachi (2014), “Adsorption of Polyanion onto Large Alpha Alumina Beads with Variably Charged Surface”, Advances in Physical Chemistry, pp 1-9 51 Tien Duc Pham, Motoyoshi Kobayashi and Yasuhisa Adachi (2015), “Adsorption of anionic surfactant sodium dodecyl sulfate onto alpha alumina with small surface area”, Colloid Polym Sci, 293(1), pp 217227 52 Tien Duc Pham, Minh Hue Thi, Ngoc Mai Pham Thi, Ri Nguyen Van (2016), “Adsorptive removal of heavy metal ion and antibiotic from aqueous solution by using polycation modified silica”, Hội nghị khoa học chuyên ngành polymer, pp 1-6 53 Titus A.M Msagati (2007), “Determination of β-lactam residues in foodstuffs of animal origin using supported liquid membrane extraction and liquid chromatographymass spectrometry”, Food Chemistry, 100, pp 836-844 54 Vishal Diwan, Ashok J Tamhankar, Rakesh K Khandal, Shanta Sen, Manjeet Aggarwal, Yogyata Marothi, Rama V Iyer, Karin Sundblad- Tondersk, Cecilia Stalsby- Lundborg (2010), “Antibiotics and antibiotic- resistant bacteria in waters associated with a hospital in Ujjain, India”, BMC Public Health, 10.1186/1471-2458-10-414 55 Wasan A Al-Uzri (2012), “Spectrophotometric determination 79 of Amoxicillin in pharmaceutical preparations through diazotization and coupling reaction”, Iraqi Journal of Science, pp 713-723 56 Wei Liu, Zhujun Zhang, Zuoqin Liu (2007), "Determination of β - lactam antibiotics in milk using micro-flow chemiluminescence system with online solid phase extraction", Analytica Chimica Acta, 592(2), pp.187– 192 57 W.S Adriano, V Veredas , C.C Santana , L.R.B Gonỗalves (2005), Adsorption of amoxicillin on chitosan beads: Kinetics, equilibrium and validation of finite bath models”, Biochemical Engineering Journal, 27, ap 132–137 58 Xiaoying Jin, Shuangxing Zha, Shibin Li, Zuliang Chen (2014), “Simultaneous removal of mixed contaminants by organoclays Amoxicillin and Cu(II) from aqueous solution”, Applied Clay Science, 102, pp 196-201 59 Xu Haomin Ph.D (2010), Photochemical Fate of Pharmaceuticals in Natural Waters, University of California, Irvine 60 Yuko Ito, Yoshitomo Ikai, Hisao Oka (1999), “Application of ion-exchange cartridge clean-up in food analysis II Determination of benzylpenicillin, phenoximethylpenicillin, oxacillin, cloxacillin, nafcillin and dicloxacillin in meat using liquid chromatography with ultraviolet detection”, Journal of Chromatography A, 855, pp 247-253 61 Y Vallet-Regı´, J.C Doadrio, A.L Doadrio, I Izquierdo-Barba, J Pe ´rez- Pariente (2004), “Hexagonal ordered mesoporous material as a matrix for the controlled release of amoxicillin”, Solid State Ionics, 172, pp 435– 439 62 Y R.Dandu Veera, Naresh K.Penta, S.V.Babu (2011), “Role of Poly(diallyldimethylammonium chloride) in Selective Polishing of Polysilicon over Silicon Dioxide and Silicon Nitride Films”, Langmuir, ap 3502-3510 80 63 Y.Karimi-Maleh, Khalilzadeh, A.Khaleghi, F.Gholami (2009), “Electrocatalytic dertermination of Ampicillin Using Carbon-Paste Electrode Modified with Ferrocendicarboxilic Axit”, Journal of Chromatography, 2791, pp 584-599 64 Y Mouayed Q Al-Abachi, Hind Haddi, Anas M Al-Abachi (2005),“Spectrophotometric determination of amoxicillin by reaction with N,N- dimethyl-p-phenylenediamine and potassium hexacyanoferrate(III)”, Analytica Chimica Acta, pp 184–189 81 PHỤ LỤC Phụ lục Kết hấp phụ đẳng nhiệt CEF vật liệu nanosilica biến tính PDAMAC nồng độ muối 1mM Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 82 Phụ lục Kết hấp phụ đẳng nhiệt CEF vật liệu nanosilica biến tính PDAMAC nồng độ muối 10mM Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 6,2 83 Phụ lục Kết hấp phụ đẳng nhiệt CEF vật liệu nanosilica biến tính PDAMAC nồng độ muối 100mM Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 84 Phụ lục Kết hấp phụ đẳng nhiệt AMO vật liệu nanosilica biến tính PDAMAC nồng độ muối 1mM Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) 7,3 7,3 7,3 7,3 7,3 7,3 7,3 7,3 85 Phụ lục Kết hấp phụ đẳng nhiệt AMO vật liệu nanosilica biến tính PDAMAC nồng độ muối 10mM Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 86 Phụ lục Kết hấp phụ đẳng nhiệt AMO vật liệu nanosilica biến tính PDAMAC nồng độ muối 100mM Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g) 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 5,9 87 Phụ lục Phổ FT-IR polymer mang điện tích dương PDAMAC Phụ lục Hình Phổ FT- IR kháng sinh AMO Phụ lục Phổ FT-IR kháng sinh AMO 88 Phụ lục Phổ FI-IR kháng sinh CEF 89 ... tài: ? ?Nghiên cứu phương pháp tách đánh giá hiệu loại bỏ kháng sinh beta lactam sử dụng silica biến tính từ vỏ trấu? ?? CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu kháng sinh họ β -lactam 1.1.1 Giới thiệu chung... TỰ NHIÊN - BÙI THỊ KIỀU VÂN NGUYÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TÁCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LOẠI BỎ KHÁNG SINH BETA LACTAM SỬ DỤNG SILICA BIẾN TÍNH TỪ VỎ TRẤU Chun ngành: HĨA PHÂN TÍCH Mã số: 60440118... lý kháng sinh họ ? ?lactam vật liệu silica chế tạo từ vỏ trấu biến tính bề mặt polyme PDADMAC hướng chưa công bố nước Trên sở điều kiện hấp phụ kháng sinh beta lactam khác nghiên cứu tách kháng sinh