TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT MỀM TĨNH ĐIỆN VỚI KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU LUẬN VĂN THẠC SĨ

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MAI CẨM TÚ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT MỀM TĨNH ĐIỆN VỚI KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – Tháng 10/2019 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MAI CẨM TÚ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC HẠT MỀM TĨNH ĐIỆN VỚI KÍCH THƯỚC KHÁC NHAU Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết tính tốn Mã số chun ngành: 44 01 03 Người hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Lâm Hoài Hà Nội – Tháng 10/2019 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết công bố luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, tháng 10 năm 2019 Tác giả: Mai Cẩm Tú iii LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập làm việc Học viện khoa học công nghệ Việt Nam, hướng dẫn TS Nguyễn Thị Lâm Hồi, tơi học hỏi nhiều kiến thức Vật lý, Toán học Để hồn thành Luận án Thạc sĩ tơi xin gửi đến người thầy hướng dẫn trực tiếp lời cảm ơn sâu sắc với tất tình cảm u q lịng kính trọng Tôi xin cảm ơn Trường THPT Yên Khánh A – Huyện n Khánh – Tỉnh Ninh Bình nơi tơi cơng tác, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành việc học tập nghiên cứu thời hạn năm Tôi xin chân thành cảm ơn Học viện khoa học công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu học viện, phòng sau đại học hỗ trợ tơi hồn thành thủ tục bảo vệ luận án Cuối cùng, xin dành tất thành học tập dâng tặng người thân gia đình mà ngày dõi theo bước chân Hà Nội, tháng 10 năm 2019 iv LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………… 1.1 Vai trò vi sinh vật đời sống 1.1.1 Vi khuẩn 1.1.2 Virus 1.2 Cấu tạo chung vi sinh vật 1.3 Thủy khuẩn phương pháp khử khuẩn nguồn nước 1.3.1 Cá c phương phá p lý́ học 10 1.3.2 Các phương pháp hóa học 10 1.3.3 Các phương pháp 11 Chương MƠ HÌNH HẠT MỀM CHO VI SINH VẬT 12 2.1 Mơ hình hạt mềm cho vi sinh vật 12 2.2 Phương trình Poisson-Boltzmann 13 2.2.1 Phương trình Pọissọn-Boltzmann 13 2.2.2 Gần thấp 15 2.3 Phân bố điện quanh hạt mềm 16 2.3.1 Hạt mềm dạng phẳng 16 2.3.2 Hạt mềm dạng cầu 19 2.4 Độ linh động điện chuyển 20 Chương TƯƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT MỀM VỚI LÕI MANG ĐIỆN 26 3.1 Hạt mềm với lõi mang điện 26 3.1.1 Hạt mềm với lõi mang điện 26 3.1.2 Phân bố tĩnh điện quanh hạt mềm với lõi mang điện 27 3.1.3 Sự phụ thuộc tĩnh điện vàọ điện tích lõi ýếu tố mơi trường 29 3.2 Tương tác hai hạt cầu dạng vỏ-lõi kích thước 32 3.3 Tương tác hai hạt cầu mềm với kích thước khác 36 3.3.1 Biểu thức lượng tương tác 36 v LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú 3.3.2 Hiệu ứng chênh lệch kích thước lên lượng tương tác 38 KẾT LUẬN CHUNG 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 vi LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việc tìm phương pháp lọc nước rẻ tiền để cung cấp nước cho vùng hẻo lánh, để tái sử dụng nguồn nước thải một vấn đề cấp thiết quan tâm nghiên cứu gần Ở đó, mợt vấn đề lớn việc khử thủy khuẩn cho nguồn nước, đặc biệt khử rota virus Rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm tiến hành nhằm mục đích tìm phương pháp yếu tố mơi trường ảnh hưởng đến hiệu q trình khử thủy khuẩn Các thí nghiệm rằng, hiệu q trình phụ tḥc lớn vào chất tương tác thủy khuẩn với nhau, vào tương tác chúng với bề mặt môi trường nước ta điều khiển q trình khử khuẩn qua thông số chất lượng nước độ pH, độ cứng nước Đối tượng nghiên cứu Bản luận văn tập trung nghiên cứu tương tác tĩnh điện thủy khuẩn, nhằm đóng góp hiểu biết khoa học cho q trình nghiên cứu khử thủy khuẩn công nghệ xử lý nước Mục đích phương pháp nghiên cứu Mục đích luận văn tính tốn đợ lớn tương tác tĩnh điện hai virus có kích thước khác Bản luận văn sử dụng sử dụng mơ hình hạt mềm với lõi mang điện để mô tả virus Trong tài liệu khoa học, người ta phát triển mợt số mơ hình vật lý cho virus/vi khuẩn gọi chung VLPs (virallike particles) để giải thích đặc tính chuyển đợng chế tương tác hệ vi sinh vật một số điều kiện mơi trường Cho đến nay, mơ hình hạt mềm (SP) lý thuyết độ linh động điện chuyển hạt mềm (SPE) đề xuất Oshsima lý thuyết xây dựng đầy đủ trích dẫn nhiều cơng trình nghiên cứu tḥc lĩnh vực Trong lý thuyết SPE, vỏ protein vi sinh vật mơ tả mợt lớp mềm có cấu trúc polymer, mang điện tích điện dương với mật độ phân bố “Mềm” mang ý nghĩa dòng chất lỏng ion tự môi trường chất lỏng mà vi sinh vật chuyển đợng qua lớp Trong đó, lõi chứa vật chất di truyền vi sinh vật coi “cứng”, không mang điện 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú tích không cho phép thẩm thấu dung môi Bằng cách giải phương trình Poisson-Boltzmann phương trình Navier-Stock cho chuyển động hạt, tác giả rút biểu thức cho độ linh động điện chuyển (electrophoresis mobility - EPM) hạt mềm Một kết quan trọng lý thuyết việc dự đoán giá trị cường độ ion (ionic strength-IS) cao dung dịch, EPM hạt mềm tiến tới một giá trị số khác không Điều kiểm chứng phép đo thực nghiệm sau Lý thuyết SPE cải tiến phát triển theo mợt số hướng khác Nhóm Duval phát triển lý thuyết hạt mềm khuyếch tán (DSPE), thay phân bố đều, mật đợ điện tích vỏ virus coi biến thiên liên tục từ biên lõi tới biên môi trường Sự không đồng lớp vỏ làm thay đổi mạnh tính chất điện chuyển hạt Gần đây, nhóm nghiên cứu chúng tơi đề xuất mơ hình vỏ-lõi cho hạt mềm Thay lõi trung hịa điện mang tính kim loại mơ hình Oshima, nhóm nghiên cứu coi lõi chứa vật liệu di truyền virus mơi trường điện mơi với điện tích khối phân bố Đóng góp điện tích lõi vào tính chất điện đợng hạt, đặc biệt vào liệu độ linh động điện chuyển (EPM) khảo sát mợt số cơng trình nghiên cứu nhóm mợt số cơng trình nghiên cứu tác giả khác công bố gần Bên cạnh EPM, thông số tốc độ tự kết dính kết dính vào bề mặt mơi trường liệu đo vô quan trọng để nghiên cứu hành vi vi sinh vật Nhận thấy rằng, liệu liên quan đến tương tác thân cá thể virus- vi khuẩn tương tác virusvi khuẩn với bề mặt vật chất môi trường, tính tốn tương tác hạt virus sử dụng mơ hình hạt mềm khn khổ nghiên cứu luận văn Cấu trúc luận văn Chương 1: Vi sinh vật Chương 2: Mơ hình hạt mềm cho vi sinh vật Chương 3: Tương tác tĩnh điện hạt mềm với lõi mang điện 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Chương I: VI SINH VẬT 1.1 Vai trò vi sinh vật đời sống 1.1.1 Vi khuẩn Vi khuẩn (tiếng Anh tiếng La Tinh bacterium, số nhiều bacteria) đơi cịn gọi vi trùng, mợt nhóm (giới vực) vi sinh vật nhân sơ đơn bào có kích thước nhỏ; một số thuộc loại ký sinh trùng, thường có cấu trúc tế bào đơn giản khơng có nhân, bợ khung tế bào (cytoskeleton) bào quan ty thể lục lạp Cấu trúc tế bào vi khuẩn miêu tả chi tiết mục sinh vật nhân sơ vi khuẩn sinh vật nhân sơ, khác với sinh vật có cấu trúc tế bào phức tạp gọi sinh vật nhân chuẩn Vi khuẩn nhóm diện đơng đảo sinh giới Chúng diện hầu khắp nơi tất mơi trường có sống Nghiên cứu thấy vi khuẩn có mặt từ vách đá độ sâu hàng ngàn feet đáy biển tàu vũ trụ có người lái khơng gian Có khoảng 40 triệu tế bào vi khuẩn một gram đất hàng triệu tế bào một mm nước Ước tính có khoảng 5×1030 vi khuẩn Trái Đất,với số lượng vượt tất tổng số lượng động vật thực vật [1] Vi khuẩn có ích có hại cho mơi trường, cho đợng vật cho người Vai trò vi khuẩn gây bệnh truyền bệnh quan trọng Một số vi khuẩn gây bệnh sốt thương hàn, tả, uốn ván, giang mai… Ở thực vật, vi khuẩn gây mụn héo Các hình thức lây nhiễm vi khuẩn qua tiếp xúc trực tiếp, qua không khí, thực phẩm, nước trùng Các biện pháp khử khuẩn thực để ngăn chặn lây lan vi khuẩn, ví dụ chùi da cồn trước tiêm Việc vô khuẩn dụng cụ phẫu thuật nha khoa thực để đảm bảo chúng "vô khuẩn" (sterile) hay không mang vi khuẩn gây bệnh, để ngăn chặn nhiễm khuẩn Chất tẩy uế dùng để diệt vi khuẩn hay tác nhân gây bệnh để ngăn chặn nhiễm nguy nhiễm khuẩn 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Vi khuẩn có khả phân giải hợp chất hữu hiệu Một số nhóm vi sinh "chun hóa" đóng mợt vai trị quan trọng việc hình thành khống chất từ mợt số nhóm hợp chất hữu Ví dụ, phân giải cellulose, một thành phần chiếm đa số mô thực vật, thực chủ yếu vi khuẩn hiếu khí tḥc chi Cytophaga Khả người ứng dụng vào công nghiệp, vào cải tiến sinh học Các vi khuẩn có khả phân hủy hydrocarbon dầu mỏ thường dùng để làm vết dầu loang Trong đất, vi sinh vật sống nốt rễ (rhizosphere) biến nitơ thành ammoniac enzyme Mợt số khác lại dùng phân tử khí nitơ làm nguồn nitơ (đạm) cho mình, chuyển nitơ thành hợp chất nitơ, trình gọi trình cố định đạm Nhiều vi khuẩn tìm thấy sống cợng sinh có lợi thể người hay sinh vật khác Ví dụ diện vi khuẩn cộng sinh ruột già giúp ngăn cản phát triển vi sinh vật có hại Vi khuẩn, với nấm men nấm mốc, dùng để chế biến thực phẩm lên men phô mai, sữa chua, giấm… Với phát triển công nghệ sinh học, vi khuẩn "thiết kế" (bioengineer) để sản xuất thuốc trị bệnh insulin, hay để cải thiện sinh học chất thải độc hại 1.1.2 Virus Virus, viết vi-rút (bắt nguồn từ tiếng Pháp virus ) gọi siêu vi, siêu vi khuẩn hay siêu vi trùng, một tác nhân truyền nhiễm nhân lên bên tế bào sống một sinh vật khác Virus xâm nhiễm vào tất dạng sinh vật, từ động vật, thực vật vi khuẩn vi khuẩn cổ Cho đến có khoảng 5.000 loại virus miêu tả chi tiết, cịn có tới hàng triệu dạng virus khác Virus tìm thấy hầu hết hệ sinh thái Trái Đất dạng có số lượng nhiều tất thực thể sinh học [1] Các phần tử (hay hạt) virus (được gọi virion) tạo thành từ hai ba bợ phận: phần vật chất di truyền tạo nên 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú n (mM) Hình 3.4: Sự phụ thuộc điện bề mặt vào nồng độ dung dịch (n=0  15), core / ZeN = 0.1, 1, 1.5, ứng với đường đỏ, xanh lam, xanh lục, vàng.[Hình vẽ từ tài liệu tham khảo 24] Từ kết thu được, ta thấy số điện môi lõi khác số điện môi vỏ (  core   r ) ta thấy có gấp khúc vị trí biên lõi vỏ, tức r  a Khi số điện môi lõi số điện môi vỏ (  core   r ) đồ thị trở nên mịn mượt r  a Và, ba trường hợp, tăng điện tích lõi dẫn đến tăng mạnh điện bên hạt ( r  b ) nhiên lại tăng nhẹ điện hạt ( r  b ) Khi số điện môi lõi tăng đủ lớn (như đến 1000), ta thấy phần đồ điện lõi bên lõi (r 𝑎) Trong 𝜌𝑐 𝜌𝑠 mật đợ điện tích khối lõi vỏ hạt mềm Điều kiện biên để xác định phân bố điện là: (𝑖) (𝑖) (𝑖) (𝑖) 𝜓𝑐 (𝑎) = 𝜓𝑠 (𝑎); 𝜓𝑐 (𝑏) = 𝜓0 (𝑏), (3.14) (𝑖) (𝑖) 𝜓𝑐 (0) ≠ 0; 𝜓0 (∞) = 0, (3.15) (𝑖) 𝑑𝜓𝑐 (𝑟) | 𝜖𝑐 𝜖0 𝑑𝑟 (𝑖) 𝑑𝜓𝑠 (𝑟) 𝑑𝑟 (𝑖) 𝑟=𝑎 | 𝑑𝜓𝑠 (𝑟) | = 𝜖𝑠 𝜖0 𝑑𝑟 = (𝑖) 𝑑𝜓0 (𝑟) 𝑟=𝑏 𝑑𝑟 ; 𝑟=𝑎 (3.16) | 𝑟=𝑏 Giải phương trình (3.3), (3.4), (3.5) với điều kiện biên (3.6), (3.7), (3.8) thu điện thế: (𝑖) 𝜓𝑐 (𝑟) (𝑖) 𝜓𝑠 (𝑟) 𝜌𝑐 (𝑎2 − 𝑟 ) 𝜌𝑐 𝑎2 = + 6𝜖𝑐 𝜖0 3𝜖𝑠 𝜖0 (1 + 𝜅𝑎) 𝜌𝑠 + 𝜅𝑏 −𝜅(𝑏−𝑎) [1 − ] + 𝑒 𝜖𝑠 𝜖0 𝜅 + 𝜅𝑎 𝜌𝑐 𝑎3 𝑒 −𝜅(𝑟−𝑎) = 3𝜖𝑠 𝜖0 𝑟 + 𝜅𝑎 𝜌𝑠 + 𝜅𝑏 sinh 𝜅(𝑟 − 𝑎) 𝑎𝑐𝑜𝑠ℎ𝜅(𝑟 − 𝑎) [1 − ( )] + + 𝜖𝑠 𝜖0 + 𝜅𝑎 𝜅𝑟 𝑟 (3.17) (3.18) và: (𝑖) 𝜓0 (𝑟) = 𝜌𝑐 𝑎3 𝑒 −𝜅(𝑟−𝑎) 3𝜖𝑠 𝜖0 𝑟 + 𝜅𝑎 𝜌𝑠 + [1 − 2𝜖𝑠 𝜖0 𝜅 𝜅𝑏 (1 − 𝜅𝑎)(1 + 𝜅𝑏) −2𝜅(𝑏−𝑎) 𝑏𝑒 −𝜅(𝑟−𝑏) + 𝑒 ] , (1 + 𝜅𝑎)𝜅𝑏 𝑟 33 (3.19) LUẬN VĂN THẠC SĨ Mai Cẩm Tú Lần lượt miền (r