Nghiên cứu chế tạo sợi polyme quang học ứng dụng cảm biến cyanua dựa trên cơ chế FRET

Sợi polyme quang học

Vì vậy, việc tổng hợp thành công một chất cảm biến có thể nhận biết nhanh chóng cyanua, từ đó ứng dụng tạo nên một sợi polyme quang học, có khả năng tái chế cao, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong cộng đồng khoa học không chỉ riêng trên Việt Nam mà còn trên toàn thế giới. Tuy nhiên, do đặc điểm suy giảm và bị bóp méo đặc trưng của vật liệu polyme, chúng thường được sử dụng trong việc truyền dữ liệu ở tốc độ thấp, khoảng cách ngắn (trong vòng 100 mét) như trong truyền dẫn mạng trong đô thị tới từng hộ gia đình.

Nhựa LLDPE

Ưu điểm của LLDPE là có độ cứng, sức mạnh cao, dẻo dai tốt, khả năng chịu lạnh, chịu nhiệt, ít bị ảnh hưởng của tác động bên ngoài… Nó cũng chống chịu tốt, chống rạn nứt, chống lại những tác động từ môi trường như chống lại axit, dung môi hữu cơ…. Tái chế phim linh hoạt ngoài ra còn gặp khó khăn hơn vì nó thường bị mắc kẹt trong thiết bị nghiền trong quá trình tái chế hoặc quấn quanh thiết bị, điều này có thể dẫn đến ngưng trệ trong dây chuyền trên quy mô lớn và dẫn đến việc xử lý thiếu hiệu quả.

Mục tiêu và nội dung của đề tài 1. Mục tiêu của đề tài

Tuy nhiên, tỷ lệ tái chế của LLDPE thường thấp hơn so với các loại nhựa khác, một phần lý do là do LLDPE thường được sử dụng trong một hỗn hợp với các loại nhựa khác, điều này có thể làm cho quá trình tái chế trở nên khó khăn. LLDPE tái chế có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm quá trình đóng gói, các tấm film sử dụng trong nông nghiệp và sản phẩm công nghiệp. Khi LLDPE tiếp xúc với nhiệt trong quá trình tái chế, nó có thể làm giảm tính chất vật lý và hạn chế khả năng sử dụng của vật liệu LLDPE tái chế.

Cảm biến nhận biết cyanua dựa vào cộng hưởng huỳnh quang (FRET)

Để có thể chỉ ra nguồn gốc sự tăng cường huỳnh quang của cảm biến khi có sự phối hợp của anion CN-, họ đã đo mức năng lượng HOMO và LUMO của phức hợp coban-salen của cảm biến khi có và không có sự hiện diện của CN- thông qua phép đo điện thế tuần hoàn và phép đo quang phổ UV-Vis. Cảm biến này không những có khả năng nhận diện CN- nhờ vào sự phát huỳnh quang kép và thay đổi màu sắc trong dung dịch EtOH/H2O (7:3, v/v) từ không màu sang màu vàng quan sát được bằng mắt thường, mà còn có khả năng chống nhiễu mạnh với các anion thông thường khác như F-, Cl-, Br-, I-, AcO-, H2PO4-, HSO4-, ClO4-. Cảm biến này đã được ứng dụng trong việc phát hiện cyanua tồn tại trong các mẫu thực phẩm, giúp tạo điều kiện thuận lợi cho việc giám định tại chỗ nồng độ CN- trong các sản phẩm nông nghiệp.

Cảm biến nhận biết cyanua dựa vào cơ chế đóng mở vòng của spirooxazine

Kết quả cho thấy, hợp chất này có khả năng chọn lọc cao với cyanua dựa trên nguyên tắc đóng mở vòng cơ bản của hợp chất gốc spiro. Khác với các loại spiropyran truyền thống, P1 có thể tránh được việc định vị các cation 3H-Indolium và 4-Nitrophenolate anion với cùng cấu trúc tổng hợp, tăng cường điện tích dương của 3H-Indolium nên tăng khả năng thu hút các anion CN-, dẫn đến tốc độ phản ứng và độ nhạy được tăng cao. Ở Hình 1.17, do tính chất của các anion như CN- sẽ tương tác với các ion mang điện tích dương, chỉ xuất hiện khi có sự bóp méo (ở đây là hiện tượng mở vòng oxazine) nên các hợp chất có gốc spirooxazine có khả năng chọn lọc CN-.

Cảm biến nhận biết cyanua dựa vào liên kết hydro

- Hỗn hợp polyme không hòa tan hoặc không đồng nhất: Các polyme thành phần tồn tại trong các pha riêng biệt và nhiệt độ chuyển thủy tinh tương ứng với các polyme thành phần có thể nhận thấy thông qua phương pháp phân tích nhiệt DSC. - Hỗn hợp polyme tương hợp lẫn nhau: là hỗn hợp polyme không hòa tan có thể hiện các tính chất vật lý tương đồng với nhau ở mức macro, xảy ra bởi các tương tác đủ mạnh giữa các polyme thành phần. Ngoài ra, còn một số LLDPE blend tiêu biểu khác như LLDPE/PP, LLDPE/EVA, LLDPE/HDPE,… Còn được khảo sát để tìm ra một polyme blend mang cả ưu điểm của LLDPE và polyme trộn hợp với chúng.

Quá trình trùng hợp gốc tự do chuyển đổi nguyên tử (ATRP)

Trong ATRP, các gốc tự do vẫn được hình thành thông qua quá trình oxi hóa khử thuận nghịch được xúc tác bởi phức hợp kim loại chuyển tiếp, phức hợp này trải qua quá trình oxi hóa một electron với sự tách ra đồng thời của một nguyên tử halogen từ dạng không hoạt động. ATRP đã được chứng minh là một công cụ mạnh mẽ trong việc tổng hợp các polyme có độ phân tán thấp và trọng lượng phân tử được kiểm soát nhờ vào việc sử dụng chất xúc tác thích hợp, chất khơi mào có cấu trúc phù hợp và điều chỉnh các điều kiện trùng hợp sao cho trọng lượng phân tử tăng tuyến tính với hiệu suất chuyển đổi. Ví dụ khi thực hiện phản ứng ATRP của n-butyl acrylate trong dung môi ethylene carbonate, sử dụng CuBr(bpy)3 làm xúc tác thì ethylene carbonate được phát hiện là cho khả năng kiểm soát tốt trọng lượng phân tử và độ đa phân tán với tốc độ trùng hợp nhanh hơn so với phản ứng trùng hợp khối.

THỰC NGHIỆM

• Tổng hợp PMMA

Trong luận văn này, thời gian phối trộn giữa PMMA và LLDPE là xấp xỉ 30 phút, trong đó 10 phút đầu đề đẩy ra lượng nhựa trước đó đã sử dụng và lượng nhựa còn xót lại từ các lần phối trộn trước đó của máy, sau đó 20 phút còn lại sẽ là thời điểm mà PMMA và LLDPE trộn hợp với nhau trong trục vít và tạo thành hỗn hợp polyme mang tính chất cơ tính của cả LLDPE và khả năng nhận biết cyanua của PMMA. Việc kiểm soát đường kính sợi rất quan trọng vì sợi có đường kính không đồng nhất trong quá trình làm việc là kết quả của việc điều chỉnh nhiệt độ làm việc có vấn đề, dẫn đến việc trộn hợp giữa PMMA và LLDPE không tốt, dẫn đến các dị tật trên bề mặt sợi có thể quan sát được, đem lại kết quả không mong muốn. Việc kiểm soát đường kính sợi trong lúc gia công còn có ý nghĩa lớn trong việc ứng dụng vào các mục đích khác như có thể đan các sợi polyme thành một tấm lưới có mắt lưới có kích cỡ vài micromet ứng dụng trong các thiết bị y học, công nghiệp,….

Kết quả tổng hợp PMMA

Kết quả phân tích FT-IR (Hình 4.2) cho thấy, sau mỗi bước phản ứng, sản phẩm đều xuất hiện các vị trí đặc trưng riêng để chứng minh quá trình tổng hợp PMMA được thực hiện thành công. Cụ thể là, các tín hiệu vị trí đỉnh từ a-c với giá trị δ từ 8.28 đến 6.58 ppm đặc trưng cho các proton của vòng thơm trong đơn vị spirooxazine. PMMA được phân tích 1H NMR trong dung môi CDCl3 (500 MHz, 25 oC), và được trình bày ở Hình 3.4 Phổ 1H NMR của sản phẩm polyme cũng cho thấy số lượng đỉnh, vị trí đỉnh và độ dịch chuyển hóa học của các đỉnh phù hợp với công thức cấu tạo mong muốn.

Kết quả gia công sợi polyme quang học LLDPE/PMMA

So sỏnh với mẫu nguyờn sinh, cú thể thấy sợi cú cơ tớnh cao hơn rừ rệt, tuy nhiên độ giãn dài giảm đáng kể, có thể do có sự tham gia của TiO2 vào mạng lưới của LLDPE làm cho chuỗi polyme trở nên nặng hơn đáng kể, gia tăng độ bền kéo, tuy nhiên làm giảm đi tính linh động, kém đàn hồi hơn so với mẫu nguyên sinh. Ở trường hợp 5% PMMA & 1% TiO2, TiO2 mang lại khả năng phủ màu cao ngăn lại khả năng cản trở tia vis truyền qua sợi polyme quang học, ngoài ra TiO2 còn tương tác với LLDPE do bề mặt có nhiều lỗ xốp, từ đó các PMMA và LLDPE chiếm các lỗ xốp đó, gia tăng cơ tính của sợi polyme quang học và giảm khả năng truyền qua của sợi polyme quang học. Sau thời gian 10 phút, lấy sợi polyme quang học ra khỏi nguồn sáng UV kích thích, đánh giá qua cảm quan có thể thấy sợi polyme quang học vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu của sợi, không xuất hiện các khuyết tật như các vết nứt, giảm cấp hoặc phân tách giữa PMMA và LLDPE,… gây ảnh hưởng đến cơ tính của sợi.

Ở sợi có tỉ lệ 5% PMMA có thể thấy rằng có một mảng màu xanh chạy dọc theo sợi, có thể thấy rằng PMMA trộn hợp vào sợi polyme quang học, trong đó hấp thụ tia UV vào chuyển màu xanh, dù rằng màu xanh vẫn khá ít và khá khó nhận ra, ở sợi có tỉ lệ 20% PMMA khi chịu sự tác dụng của tia UV hầu như đã chuyển màu xanh rất đậm, có thể nhận thấy bằng mắt thường. Ở sợi có tỉ lệ 5% PMMA, căn cứ theo hình 3.21, mảnh xanh đặc trưng cho tính chất hấp thụ UV và mở vòng của sợi polyme quang học có PMMA đã biến mất, cho thấy dù đã có dấu hiệu cho thấy PMMA trộn hợp vào bên trong LLDPE nhưng sau khi được chiếu tia Vis kích thích quá trình đóng vòng, màu xanh đặc trưng cho hiện tưởng mở vòng biến mất, như vậy vẫn chưa đủ để chứng minh là lượng 5%.