Trước khi phân tích, sấy mẫu IPC bằng phương pháp đông khô, nghiền mịn. Các mẫu được đo bằng phương pháp sau:
2.3.4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
Các mẫu được đo XRD trên máy SIEMENS D5000 Bruker (CHLB Đức), tại Viện khoa học Vật liệu, ở các điều kiện như sau: bức xạ Cu-K có bước sóng = 1.5406 Ao, cường độ dòng điện 30mA, điện áp 40kV, góc quét
o
70 10
2 , tốc độ quét 0,0300/giây.
2.3.4.2. Phổ hồng ngoại (FT-IR)
Phổ FT-IR của các mẫu được ghi trên máy IMPAC 410 – Nicolet (Mỹ), tại Viện Hóa học (Viện KH & CN Việt Nam). Các mẫu được nén ép thành viên với KBr theo tỉ lệ (1:400), được đo trong khoảng từ 500 đến 4000cm-1.
2.3.4.3. Hiển vi điện tử quét (SEM)
Ảnh SEM của các mẫu được đo trên trên thiết bị hiển vi điện tử quét Hitachi S4800 (Nhật Bản), tại Viện khoa học Vật liệu (Viện KH & CN Việt Nam). Trước khi đo các mẫu được phủ Pt trong chân không để tăng cường độ nét của anh SEM do IPC có độ dẫn điện kém.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Quy trình tổng hợp sắt-polymaltose
Quá trình tổng hợp IPC thu được sản phẩm phức chất IPC là chất rắn màu nâu đỏ tới nâu đen, tan trong nước, không tan trong cồn và các dung môi hữu cơ khác.
Phương pháp tổng hợp phức IPC từ sắt Fe(NO3)3 và maltodextrin có ưu điểm là có thể khống chế các thông số phản ứng thông qua việc tìm hiểu và can thiệp vào quá trình phản ứng để thu được sản phẩm IPC có chất lượng mong muốn. Bản chất của phương pháp này là đi từ các tiểu phân nhỏ, dạng ion trong dung dịch để tạo thành các sản phẩm kết tủa có kích thước nanomet ban đầu. Do vậy thay đổi các điều kiện tổng hợp như nhiệt độ, độ pH.... có thể kiểm soát được hình dạng và độ tinh thể của sản phẩm. Đây là phương pháp dùng các nguyên liệu và hóa chất cơ bản, dễ kiếm, quy trình và thiết bị đơn giản. Tuy nhiên, điều kiện để tổng hợp được IPC có trạng thái của sắt trong phức là Akaganeite là khá chặt chẽ. Quá trình kết tủa này có thể tạo ra sản phẩm phụ của quá trình phản ứng có thể lẫn vào phức IPC một lượng muối NaNO3. Tuy vậy, lượng muối này trong quá trình rửa và kết tinh lại phức IPC sẽ bị rửa trôi.
Sử dụng các phương pháp vật lý để khảo sát các điều kiện phản ứng đến chất lượng sản phẩm IPC như độ đơn pha, độ tinh thể, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt trung bình.
3.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến phản ứng tạo phức IPC
Một mô hình cấu trúc mô phỏng hình học của sắt (III) bát diện được thiết lập dựa trên lý thuyết liên kết cộng hóa trị đồng thời có lưu ý đến sự tương tác giữa các phân tử nước trong hai quả cầu hidrat hóa gần nhất. Ngược với các ion Fe nằm trong khối có liên kết cầu oxi (O) và hydro (OH) với các phối tử, các ion Fe trên bề mặt cũng tạo phức bát diện với các phân tử nước để tạo thành lớp vỏ hydrat thứ nhất. Ở trạng thái ướt, các phân tử nước phía
ngoài của lớp vỏ hydrat hóa thứ hai chỉ liên kết với hydro đơn với lớp thứ nhất trong khi đó chúng tạo phức liên kết đôi trạng thái khô. Tương tác giữa các ion sắt với hai quả cầu hydrat hóa gần nhất của chúng làm biến đổi dạng hình học của bát diện chứa sắt bề mặt so với bát diện chứa sắt trong khối, và độ dài liên kết Fe-OH và Fe-H2O ở trạng thái khô và ướt được ước lượng theo lý thuyết cộng hóa trị.
Hình 12: Công thức cấu tạo và cấu trúc bát diện 3D của đại phân tử FeOOH
Hình 13: Phổ chuẩn FT-IR của sắt (III) hydroxit đa nhân
Phổ chuẩn FT-IR của FeOOH với các dải đặc trưng (OH)3407 cm-1,
) (HOH
1637 cm-1, (OH)1540 và 1347 cm-1, (OH) 698 cm-1 và (FeO)459 cm-1 được trình bày trên hình 12..
Bốn mức pH là 8, 9, 10, 11 được chọn để khảo sát sự phụ thuộc của quá trình tạo phức IPC vào pH phản ứng.
Hình 14: Phổ hồng ngoại FT-IR của phức IPC ở: pH = 8 (a), pH = 9 (b), pH = 10 (c), pH = 11 (d)
Phổ FT-IR của sản phẩm phức IPC của cả bốn chất đều thể hiện một dải hấp thụ rất mạnh và rộng. Tuy nhiên ba chất có pH = 8, pH = 9. pH = 11với cực hấp thụ nằm nằm trong khoảng 3600-3300 cm-1, chỉ có pH = 8 cực hấp thụ nằm trong khoảng 3400-3300 cm-1, dải hấp thụ này được gán cho vùng dao động (OH)của FeOOH và oligosaccrit.
Cả bốn chất trong vùng bước sóng 700 cm-1, cường độ hấp thụ biến đổi đáng kể. Cường độ hấp thụ mạnh ở vùng 754-672 cm-1 trên phổ IPC ở pH = 10 so với ba phổ có pH = 8, pH = 9. pH = 11 là do dao dộng (OH) trong FeOOH. Vậy kết quả phân tích phổ FT-IR của bốn chất trên thì phổ IPC ở pH = 10 là tốt hơn cả nên ở pH = 10 được chọn cho quá trình tổng hợp phức IPC.
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng tạo phức IPC 3.3.1. Độ dẫn điện và pH 3.3.1. Độ dẫn điện và pH
Dung dịch nước của IPC có màu nâu đỏ, độ dẫn điện thấp và pH trung tính
Bảng 3: pH và độ dẫn điện của dung dịch của IPC ở 25, 60 và 70oC.
Dung dịch chứa 167 mgFe/L pH Độ dẫn điện (S/cm)
IPC (25oC) 8,28 27,2
IPC (60oC) 6,98 38,9
IPC (70oC) 6,7 42,7
Bảng trên trình bày kết quả đo độ dẫn điện và pH của dung dịch IPC 167mgFe/L ở các nhiệt độ khác nhau. Số liệu cho thấy lượng ion hòa tan trong dung dịch phức IPC ở nhiệt độ 60oC là thấp (độ dẫn điện thấp và pH trung tính) trong khi các dung dịch ở nhiệt độ cao hơn thủy phân mạnh hơn,ở 25oC có độ dẫn điện thấp và pH cao. Như vậy sản phẩm IPC ở 60oC thu được trong nghiên cứu này có tính chất không ion hơn các IPC ở nhiệt độ khác tương tự như các phức sắt-cacbohydrat trong các nghiên cứu khác. Tính không ion này là một ưu điểm vượt trội của phức IPC so với các dung dịch muối sắt vô cơ khác cho mục đích bào chế thuốc chống thiếu máu.
3.3.2. Thành phần pha
Hình 15 là giản đồ XRD (a) và phổ FT-IR (b) của bột IPC tổng hợp ở nhiệt độ 25oC.
Nhận xét:
Giản đồ XRD của hình 15 cho thấy sắt tồn tại ở dạng vô định hình do không thể hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của các hợp chất chứa sắt. Phổ FT-IR hình 14 gồm các dải hấp thụ từ 3400-3200 cm-1 dải hấp thụ này được gán cho vùng dao động (OH) của FeOOH và oligosaccrit. Vùng nằm trong khoảng 699 cm-1 đặc trưng cho nhóm OH-, trên dải 1641 cm-1 đặc trưng cho nhóm v(HOH) nhưng cường độ hấp thụ nhỏ.
Những kết quả phân tích trên XRD cho thấy trong mẫu nghiên cứu này không tìm thấy các phổ đặc trưng của ankegeneite
Hình 16 là giản đồ XRD (a) và phổ FT-IR (b) của bột IPC tổng hợp ở nhiệt độ 60oC.
Hình 16: Giản đồ XRD (a) và phổ FT-IR (b) của bột IPC tổng hợp ở 60oC Nhận xét:
Giản đồ XRD của mẫu (hình 16a), cho thấy đã xuất hiện các vạch của phổ đặc trưng cho β-FeOOH tại vị trí góc 2θ = 26,8; 35,2; 39,2; 46,5; 64,5. Có thể nhận thấy các vạch đặc trưng này có cường độ nhỏ, không rõ nét và hầu như tách được khỏi đường nền tín hiệu.
Phổ FT-IR (hình 16b) cho thấy, các dải hấp thụ từ 3400-3200 cm-1 dải hấp thụ này được gán cho vùng dao động ν(OH) của FeOOH và oligosaccrit, các dải phổ 1638 đặc trưng cho δ(HOH), ở 714-621cm-1 đặc trưng cho dao động δ(OH).
Từ các kết quả XRD và FT-IR cho thấy tại nhiệt độ phản ứng 60oC và pH = 10 đã xuất hiện các β-FeOOH. Các tinh thể β-FeOOH tạo thành có kích thước rất nhỏ và hầu hết có thể tồn tại ở dạng vô định hình.
Hình17 là giản đồ XRD (a) và FT-IR của bột IPC tổng hợp ở nhiệt độ 70oC
Hình 17: Giản đồ XRD(a) và FT-IR (b) của bột IPC tổng hợp ở nhiệt độ 70oC
Nhận xét:
Phân tích đặc trưng XRD và FT-IR của tinh thể IPC ở 70oC ta cũng thấy β-FeOOH có thể tồn tại ở dạng vô định hình do không thể hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của các hợp chất chứa sắt và phổ FT-IR cũng xuất hiện một số vạch các dải hấp thụ từ 3500-3200 cm-1 dải hấp thụ này được gán cho vùng dao động ν(OH) đặc trưng cho FeOOH nhưng cũng chưa đúng với kết quả đã công bố.
Kết luận:
Qua quá trình nghiên cứ tổng hợp phức IPC từ muối Fe(NO3)3 ở nhiệt độ và pH khác nhau cho thấy, hợp chất β-FeOOH được tạo thành có thể tồn tại ở dạng vô định hình. Tại nhiệt độ phản ứng ở 60oC, pH = 10 đã xuất hiện các tinh thể β-FeOOH có kích thước rất nhỏ.
Do sản phẩm IPC tổng hợp được không thỏa mãn một số mục tiêu đã đề ra. Do vậy, chúng tôi không tiếp tục khảo sát một số đặc trưng khác như ảnh SEM, TEM, phân tích nhiệt…
Dựa trên cơ sở các kết quả đã nghiên cứu trước đây tại Phòng Hóa Vô cơ, chúng tôi tiến hành tổng hợp phức IPC từ muối FeCl3 ở các nhiệt độ khác nhau, môi trường pH thích hợp cho phản ứng nằm trong khoảng 6,5 – 7. Từ các kết quả nghiên cứu này, sẽ tìm nguyên nhân và đưa ra các kết luận xác thực hơn về quá trình tổng hợp IPC từ muối Fe(NO3)3.
3.4. Tổng hợp IPC từ FeCl3 [2]
Phản ứng tổng hợp phức IPC như trên được thực hiện ở ba nhiệt độ 25oC, 60oC và 90oC, pH = 7.
Hòa tan 35 g maltodextrin trong 100 ml nước cất. Hòa tan 25 g FeCl3.6H2O trong 50 ml nước cất, sau đó rót toàn bộ dung dịch này sang cốc chứa maltodextrin. Khuấy mạnh đồng thời thêm từ từ 45 ml dung dịch NaOH 10N vào cốc chứa hỗn hợp muối sắt và maltodextrin. Tiếp tục khuấy hỗn hợp thêm 1h sau khi toàn bộ NaOH đã được đưa vào hệ phản ứng. Quá trình trên được duy trì ở các nhiệt độ cần khảo sát.
Để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phòng và ly tâm để loại bỏ cặn không tan sau đó chỉnh pH về khoảng 6.5 - 7 bằng dung dịch HCl 2N. Dùng một lượng etanol có thể tích tương đương với thể tích hỗn hợp phản ứng để kết tủa phức sắt maltodextrin. Tiến hành ly tâm để thu sản phẩm phức IPC, làm khô sản phẩm bằng phương pháp bay hơi chân không. Sản phẩm khô được nghiền mịn và bảo quản trong bình hút ẩm trên silicagel để phân tích các đặc trưng thành phần và cấu trúc bằng XRD, FT-IR và SEM.
3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng tạo phức IPC
Hình 18 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu IPC tổng hợp được ở nhiệt độ 25oC (a) và 60oC (b).
Kết quả cho thấy, mẫu IPC thu được ở 25oC sắt có thể tồn tại ở trạng thái vô định hình do không thể hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của các hợp chất chứa sắt. giản đồ XRD thể hiện cách vạch sắc nhọn đặc trưng của NaCl (2θ ≈ 31,8o; 45,5o theo JCPDS 5-0628), đây là một sản phẩm phụ của quá
trình phản ứng có thể kết tinh lẫn một lượng nhỏ cùng với IPC. Lượng nhỏ muối NaCl này không làm giảm chất lượng thuốc thiếu máu thiếu sắt vì trong thực tế, phức IPC được hòa tan trong nước muối 0,9% điều chế thuốc ở dạng dung dịch. Trong nghiên cứu này, giản đồ XRD của một số mẫu điều chế ở 60oC cũng xuất hiện các vạch đặc trưng của NaCl.
Trên giản đồ XRD của mẫu IPC tổng hợp ở 60oC, tồn tại các vạch nhiễu xạ ở các vị trí góc 2θ ≈ 16,8o, 26,8o, 39,2o, 46,4o và 55,9o, đặc trưng cho β-FeOOH (theo JCPDS#34-1266).
Ở nhiệt độ 90oC, maltodextrin bắt đầu bị phân hủy nhiệt gây mùi khét cháy khó chịu. Như vậy nhiệt độ 60oC tỏ ra thuận lợi hơn cho sự tạo phức IPC so với hai mức nhiệt độ còn lại. Vì lý do trên, các thí nghiệm tiếp theo tổng hợp IPC được thực hiện ở nhiệt độ 60oC.
Hình 18: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu IPC thu được ở nhiệt độ 25oC (a) và 60oC (b)
Bảng 4 trình bày điều kiện tiến hành và ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng tạo phức IPC. Ở nhiệt độ 25oC, phần lớn sản phẩm tạo thành sau 2h phản ứng là hidroxit sắt không tan trong nước, chỉ một phần sắt nhỏ tạo thành phức IPC đạt hiệu suất 16% trong khi ở 60oC, hiệu suất hồi phục IPC là 85%. Ở nhiệt độ 90oC có sự phân hủy của maltodextrin gây mùi khét cháy trong quá trình phản ứng. Như vậy nhiệt độ 60oC tỏ ra thuận lợi hơn cho sự tạo phức IPC so với hai mức nhiệt độ còn lại.
Bảng 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tạo phức IPC Thí nghiệm Thời gian Phản ứng (h) Nhiệt độ phản ứng (oC) Hiệu suất (%) Trạng thái của sắt 1 2 25 16 Vô định hình 2 2 60 85 Akaganeite 3 2 90 - -
Hình 19 là phổ hồng ngoại FT-IR của phức IPC tổng hợp ở 60oC. Phổ FT-IR của mẫu thể hiện một dải hấp thụ rất mạnh và rộng với cực đại hấp thụ nằm trong khoảng 3400-3300 cm-1, dải hấp thụ trong vùng này được gán cho dao động (OH) của FeOOH và oligosaccarit. Trong vùng bước sóng 700 cm- 1, cường độ hấp thụ biến đổi đáng kể. Cường độ hấp thụ mạnh ở vùng 719- 690 cm-1 trên phổ của IPC so với phổ của maltodextrin là do dao động (OH) trong β-FeOOH.
Hình 19: Phổ hồng ngoại FT-IR của phức IPC
Sự dịch chuyển của các dải 1650 và 1449 cm-1 của maltodextrin về phía sóng dài và sự tăng mạnh cường độ của các dải này khẳng định có sự liên kết giữa hạt keo FeOOH với oxy trong nhóm CH2-OH của maltodextrin. Điều này cho thấy các hạt keo FeOOH không đơn thuần nằm lỏng lẻo trong khối
polyme maltodextrin mà đã có liên kết hóa học hình thành giữa hai hợp chất này để tạo thành phức chất.
Như vậy, kết quả phân tích phổ FT-IR cũng trùng hợp với phân tích nhiễu xạ tia X ở trên rằng có sự tồn tại của β-FeOOH trong phức sản phẩm IPC.
3.4.2. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình 20 là Ảnh SEM của phức IPC phóng đại 1000 lần (a) và 80.000 lần (b).
Kết quả cho thấy, mẫu IPC có kích thước trung bình khoảng 10-40m, đồng đều và sắc cạnh. Trên ảnh phóng đại 80.000 của phức IPC ta có thể quansát được điểm sáng của nhân sắt với kích thước khoảng 100-300nm.
Hình 20: Ảnh SEM của phức IPC phóng đại 1000 lần (a) và 80.000 lần (b)
Từ các kết quả tổng hợp IPC từ muối FeCl3 cho thấy, các tinh thể β- FeOOH tồn tại trong phức IPC có hàm lượng và độ tinh thể cao hơn. Phức IPC hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu đã đặt ta.
Quá trình hình thành phức IPC diễn ra như sau:
Ở điều kiện phản ứng thích hợp (nhiệt độ, pH,… ), các tinh thể β- FeOOH được tạo thành. Các tinh thể này có dạng hình ống với kích thước phụ thuộc vào các điều kiện phản ứng. Sau khi bổ sung maltodextrin vào dung dịch phản ứng và kết tinh bằng etanol, maltodextrin kết tinh và bao bọc lấy nhân β-FeOOH. Quá trình kết tinh và bao bọc này làm tăng độ bền và giảm
kích thước của tinh thể β-FeOOH. Có thể giải thích rằng, đường kính của ống β-FeOOH tồn tại trong quá trình tổng hợp IPC từ muối FeCl3 cókích thước đủ lớn để các ion Cl- chui vào bên trong ống. Các ion Cl- này có tác dụng làm cho các tinh thể β-FeOOH bền hơn và tồn tại trong phức IPC. Trong quá trình tổng hợp IPC từ muối Fe(NO3)3 ở cùng điều kiện, các ion NO3- có kích thước lớn hơn kích thước của Cl- vàcủa đường kính bên trong của ống, vì vậy chúng không chui được vào bên trong ống β-FeOOH. Kết quả là, β-FeOOH tạo