1.3.2.1.Cấu trúc và tính chất của chitin, chitosan và chitosan tan trong nước
23 O OH OH O O OH NHCOCH3 O OH NHCOCH3 O OH NHCOCH3 O OH O OH NHCOCH3 O OH O OH NH2 O OH O OH OH O NH2 O OH NH2 O OH O OH NH2 O OH Hình 1.11.Cấu trúc của chitin và chitosan [83]
Chitosan là một copolyme phân hủy sinh học bao gồm các đơn vị D – glucosamin và N – axetyl – D – glucosamin, là sản phẩm thu được từ quá trình deaxetyl tách gốc axetyl khỏi nhóm amino ở vị trí C2 (hình 1.11). Đơn vị cấu tạo trong phân tử chitosan là D – glucosamin, các mắt xích được liên kết với nhau như sau [83]:
Liên kết β - glucozit mỗi mắt xích lệch nhau một góc 1800 tạo lên mạch xoắn.
Tương tác Van der Waals (d = 0,3 – 0,6 μm).
Khi khoảng cách giữa các mắt xích quá nhỏ (0,3 µm) giữa chúng xuất hiện liên kết hydro, do tương tác giữa nhóm -OH, -NH2 trong phân tử.
Hình 1.12.Nguồn nguyên liệu điều chế chitosan [83]
Chitosan là sản phẩm của quá trình deaxetyl hóa chitin. Trong thiên nhiên chitin là nguồn nguyên liệu polysacarit phong phú chỉ sau xenlulozơ. Chitin có trong vỏ của hầu hết các động vật chân đốt như tôm, cua, mai mực, nhện, bò cạp,.. . Chitin cũng được tìm thấy trong vách tế bào của một vài loài nấm hay của một số
CHITIN
24
loài sinh vật khác (hình 1.12). Chitin trong tự nhiên không xuất hiện ở dạng tinh khiết. Thông thường khi ở trạng thái khô, vỏ của động vật giáp xác chứa khoảng 15% - 20% chitin, 25% – 40% protein, 40% - 50% CaCO3, và lượng vết sắc tố. Các thông sốđặc trưng của chitin và chitosan được trình bày trong bảng 1.3 [83, 115].
Trong chitin có nhiều liên kết hydro nên chúng dễ bị phân chia nhỏ ở nhiệt độ cao. Đặc tính hóa học này làm cho chitin khó hòa tan trong nước, axít loãng, alcol, hoặc trong những dung môi hữu cơ dưới điều kiện bình thường. Trái lại, chitosan do có nhóm -NH2 tự do không tan trong nước nhưng tan dễ dàng trong các dung môi hữu cơ như axít formic, axít adipic, axít axetic,.. trong trường hợp này nhóm amin tự do bắt đầu hình thành nhóm -NH3+ [83]. Nhờ đặc tính này mà chitosan có giá trị hơn chitin cho những ứng dụng trong công nghiệp, có giá trị thương mại cao và có thể chế tạo thành nhiều dạng khác nhau như màng mỏng, sợi, bột,.. [83, 115].
Bảng 1.1.Một số thông sốđặc trưng của chitin và chitosan
Thông số Chitin Chitosan
Tên hóa học Công thức phân tử Trọng lượng phân tử Hàm lượng nitơ lý thuyết Hàm lượng nitơ thực tế
Trọng lượng phân tử trung bình Mức độ deaxetyl hóa Độẩm Độ tro Hàm lượng protein Polyaxetylamingluozơ (C8H13NO5)m (209,13)m 6,9% 6 - 7% 3×105 – 5×105 (g/mol) 10 - 15% < 10% < 2% < 0,5% Polyaminoglucozơ (C8H13NO4)n (161)n 8,7% 7 - 8,4% 1×105 – 3×105 (g/mol) 80 - 90% < 10% < 1% < 0,3% Một thông số rất quan trọng của chitosan là độ deaxetyl hóa (ĐĐA) hoặc độ axetyl hóa (ĐA = 100 – DD). Thực chất là sự khác nhau về hàm lượng của nhóm - NHCOCH3 và nhóm -NH2 trong chitin và chitosan [32]. Sự khác biệt về hàm
25
lượng của các nhóm trên dẫn tới sự khác biệt rõ rệt về tính chất của hai loại polyme này.
Chitosan có tính phân hủy sinh học, tương hợp sinh học và không gây độc môi trường [83, 115]. Đặc biệt hơn là chitosan có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, kháng oxi hóa, chống ung thư, tăng miễn dịch [49, 116, 159] và hiệu ứng kích kháng bệnh thực vật (elicitor) [3] và động vật [68, 96, 151]. Chitosan đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như làm chất kháng vi sinh vật gây hại, làm bao bì ăn được, chất phụ gia, chất bổ sung cho thực phẩm, vật liệu hấp thụ xử lý kim loại và chất màu trong nước, vật liệu cốđịnh enzym,.. [3, 83, 115]. Tuy nhiên so với một vài polyme tự nhiên khác như alginat, collagen, axít hyaluronic,.. thì phạm vi ứng dụng của chitosan vẫn còn bị hạn chế. Nguyên nhân là do trong phân tử chitosan có nhiều liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử làm hạn chế khả năng hòa tan của chitosan. Chitosan chỉ tan trong khoảng pH axít và trong một vài axít hữu cơ như axít formic, axít axetic, axít propionic, axít lactic, axít citric,.. và không tan trong nước [83, 115].
Có rất nhiều công trình nghiên cứu cũng như biến tính chitosan để cải thiện độ hòa tan của chitosan như làm tăng độ deaceyl bằng cách đề deaxetyl với NaOH nóng, giảm KLPT chitosan bằng cách cắt mạch chitosan sử dụng các tác nhân cắt mạch như axít, enzym, bức xạ [49, 62, 117, 148], hoặc là biến tính chitosan thành các dẫn xuất có khả năng hòa tan tốt như cacboxylmethylchitosan, chitosan-g- poly(etylenglycol), N-phataloychitosan [83],.. Tuy nhiên các phương pháp này còn có nhiều hạn chế như quá trình làm tăng ĐĐA bằng NaOH nóng chỉ làm chitosan tan trong khoảng pH < 7 [48], các biến đổi hóa học hay cắt mạch bằng axít có thể làm thay đổi cấu trúc của chitosan dẫn đến chitosan bị mất đi những tính chất hóa lý ban đầu, đồng thời sản phẩm tạo ra không tinh khiết, KLPT thấp [117], hoặc là quá trình cắt mạch đòi hỏi thời gian phản ứng dài (cắt mạch bằng enzym),.. để khắc phục điểm hạn chế này CTTN đã được nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp axetyl hóa [95].
26
Hình 1.13.Phản ứng axetyl hóa chitosan bằng anhydritaxetic [95]
Chitosan tan trong nước là một dạng cấu trúc mới của chitosan có độ axetyl hóa khoảng 50%, tan trong nước ở khoảng pH rộng (2-12). CTTN không phải là những oligome mà có khối lượng lượng phân tử tương đối cao 1- 5105 cấu trúc vô định hình. CTTN có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt làm chất bắt gốc tự do, chất ổn định chế tạo nano kim loại (Ag, Au,..).
1.3.2.2. Cơ chế ổn định hạt vàng nano của chitosan tan trong nước
Phân tử CTTN chứa các nhóm chức như -OH, -NH2 và -NHCOCH3 có ái lực cao với ion kim loại nên thích hợp sử dụng làm chất ổn định chế tạo kim loại nano [83, 115]. Gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng chitosan vừa làm chất khử vừa là chất ổn định để chế tạo vàng nano. Kết quả nhận được là hạt vàng nano có kích thước trong khoảng 5 - 30 nm [4, 13, 28, 41, 47, 66, 106, 136] với độ phân bố kích thước hẹp và ổn định tốt theo thời gian lưu giữ. Hiệu ứng ổn định dung dịch vàng nano và khả năng bắt gốc tự do OH của CTTN được trình bày tóm tắt như sau: trong dung dịch lỏng Au3+ tạo phức với CTTN thông qua liên kết với nhóm amin (-NH2-Au3+), và nhóm axetyl amino (-NHCOCH3-Au3+) khi chiếu xạ, tác nhân e-aq và H sẽ khử Au3+ thành Au0, sau đó Au0 hấp thụ Au3+ tạo thành Au23+, quá trình tiếp diễn tạo Aun3+ và tạo hạt vàng nano ổn định trên cấu trúc mạng CTTN. Do cấu trúc mạng cồng kềnh nên gây ra hiệu ứng ức chế không gian làm hạn chế sự kết tụ của các hạt vàng [4, 78, 87, 97]. Ngoài ra CTTN còn thể hiện là chất bắt gốc tự do OH tạo thành gốc tự do CTTN có khả năng khử vàng ion dạng cụm liên kết, góp phần quan trọng cho quá trình phát triển hình thành hạt vàng nano. Tiến trình khử vàng ion, phản ứng bắt gốc tự do OH và khử ion vàng liên kết cụm (cluster) tạo vàng nano như sau [4, 28, 42, 47].
OH + RC5H5O(OH)3(NH2)CH2OH RC5H5O(OH)3(NH2)CH2OH + H2O + (CH3CO)2O
27
Aun3+ + RC5H5O(OH)3(NH2)CH2OH Auon + RC5H5O(OH)3(NH2)CH2OH
1.3.3. Tính chất của dung dịch vàng nano
Hai đặc điểm quan trọng của dung dịch vàng nano được các nhà nghiên cứu quan tâm là sự phát huỳnh quang và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt.
1.3.3.1. Sự phát huỳnh quang (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự phát huỳnh quang là hiện tượng xảy ra khi ta dùng sóng điện từ (quang tử) kích hoạt một vật liệu, đẩy điện tử của vật liệu này từ dải hóa trị đi xuyên qua dải năng lượng cấm lên dải dẫn điện ở năng lượng cao hơn. Sóng kích hoạt thường là sóng mang năng lượng cao như tia tử ngoại hay ánh sáng màu xanh. Điện tửở năng lượng cao vốn không ổn định luôn có xu hướng trở về trạng thái có năng lượng thấp hơn. Khi điện tử trở lại dải hóa trị ban đầu, sự phát quang xảy ra (hình 1.14). Cũng giống như với sự phát quang điện học, ánh sáng phát quang có năng lượng tương đương với trị số khe dài. Trị số khác nhau sẽ có màu sắc khác nhau [6, 10, 134, 157].
Hình 1.14. Cơ chế của sự phát huỳnh quang (1): Sóng kích hoạt (2): Quá trình điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao về trạng thái năng lượng thấp hơn
(3): Sóng phát ra; (●) điện tử [158]
Các nhà khoa học đã tạo ra những hạt nano (chấm lượng tử) vàng với kích thước xác định chứa 5, 8, 12, 23 và 31 nguyên tử [107]. Đây là những hạt phát huỳnh quang (hình 1.15) trong đó chùm 31 nguyên tử có đường kính lớn nhất khoảng 1nm. Những hạt này được xử lý bề mặt để phân tán được trong nước.
28
Hình 1.15. Sự phát huỳnh quang ánh sáng xanh của hạt vàng nano chứa 6 nguyên tử [158]
Trong dung dịch nước, theo thứ tự kích thước từ nhỏ đến lớn, khi được kích hoạt những hạt này có khả năng phát ra tia tử ngoại, ánh sáng xanh, xanh lá cây và tia hồng ngoại [6, 107, 157, 158]. Tuy nhiên khi hạt vàng nano có kích thước từ 10 đến vài trăm nanomét, sự phát huỳnh quang chuyển sang sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng. Hiện tượng đặc biệt này là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt.
1.3.3.2. Hiện tượng cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance-SPR) SPR)
Thuyết Mie [100, 134]
Lý thuyết Mie giới hạn cho các hệ có nồng độ hạt nhỏ và giả thuyết các hạt là tách biệt, không tương tác với nhau. Giả thuyết này cũng cho rằng điện trường được sinh ra do kích thích plasmon bề mặt cộng hưởng khi một hạt đơn lẻ không tương tác với phần còn lại trong môi trường xung quanh. Khi khoảng cách giữa hai hạt giảm đi sẽ có một dịch chuyển đỏ xảy ra trong cộng hưởng plasmon và ta sẽ quan sát được thêm một đỉnh hấp thụ ở bước sóng dài hơn. Bản chất của phổ hấp thụ không phải do sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng mà là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Khi tần số của sóng ánh sáng tới bằng tần số dao động của các điện tử dẫn trên bề mặt hạt nano Au, Ag sẽ có hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. Ánh sáng được chiếu tới hạt nano Au, Ag, dưới tác dụng của điện trường ánh sáng tới, các điện tử trên bề mặt hạt nano Au, Ag được kích thích đồng thời dẫn tới một dao động đồng pha (dao động tập thể), gây ra một lưỡng cực điện ở hạt nano Au, Ag.
29
Theo tính toán của Mie cho các hạt dạng cầu thì vị trí đỉnh cộng hưởng Plasmon phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản:
- Thứ nhất: vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của kim loại kích thước nano.
- Thứ hai: vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon phụ thuộc vào bản chất của chính vật liệu đó (phụ thuộc vào hằng sốđiện môi của vật liệu).
- Thứ ba: vị trí đỉnh cộng hưởng plasmon còn phụ thuộc vào môi trường xung
Hình 1.16.Sự phân cực điện tử bề mặt của hạt hình cầu do điện trường của sóng
điện từ [103]
Đối với hạt vàng nano SPR có bước sóng hấp thụ đặc trưng trong khoảng 530 nm (sóng màu xanh) và ít bị ảnh hưởng của kích thước hạt trong phạm vi từ 9 đến 22 nm. Các hạt vàng nano hấp thụ ánh sáng xanh sẽ hiển thị màu đỏ. Khi hạt càng lớn thì bước sóng hấp thụ dài hơn và khi đến kích thước 99 nm, hạt hấp thụ sóng màu xanh (bước sóng 575nm) và hiển thị màu vàng (hình 1.17). Hiệu ứng SPR sẽ biến mất khi vật liệu trở lại trạng thái khối. Khi các hạt vàng nano tụ hợp đến kích thước micromet, màu vàng nguyên thủy của kim loại sẽ xuất hiện trở lại [6, 98, 100, 111, 157].
Hình 1.17.Sự thay đổi màu sắc của dung dịch vàng nano có kích thước hạt khác nhau [100]
30
Đặc tính SPR đã gây chú ý đặc biệt cho các nhà vật liệu học và họđã nhanh chóng thiết kế hạt vàng nano với nhiều độ lớn khác nhau để sự hấp thụ sóng có thể xảy ra. Sự hấp thụ này có thể xảy ra trong một vùng rộng lớn kéo dài từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại. Trong các ứng dụng y học của hạt vàng nano, hiện tượng SPR được áp dụng rộng rãi và cho nhiều kết quả bất ngờ [15, 98, 111, 134].
1.3.3.3.Các tính chất cơ lý của dung dịch vàng nano
Dung dịch vàng nano là một hệ keo điển hình, do kích thước của nó < (10-5- 10-7 cm) và được gọi là các hệ phân tán cao [7, 25]. Vì vậy nó có đầy đủ các tính chất cơ-lý điển hình của hệ keo.
+ Các tính chất động học:
- Chuyển động Brown R [7]:
Các hạt chuyển động không ngừng, năng lượng động học trung bình phụ thuộc nhiệt độ. Quãng đường chuyển dịch trung bình theo thời gian t được tính theo phương trình Einstein: 6 bTt x2 (1.33) .t rN 3 RT x (1.34) Trong đó : r là bán kính hạt, là hệ số nhớt, b = 2R/N = 2k, k là hằng số Boltzmanr , R là hằng số khí và N là số Avogadro.
- Khuyếch tán: Sự khuyếch tán tuân theo định luật Fick 1 và 2.
• Định luật Fick 1: lượng chất ni qua tiết diện S (vuông góc với chiều khuyếch tán) tỷ lệ thuận với S, thời gian t. .dt dx dc DS. dni (1.35)
• Định luật Fick 2: mô tả sự biến đổi nồng độ theo thời gian. 2 2 dx c d . D dt dc (1.36)
Trong đó: D là hệ số khuyếch tán, phụ thuộc nhiệt độ, bản chất dung môi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
31
Hạt keo chịu tác động của trọng lực và chuyển động Brown vì vậy có thể sa lắng. Lúc đầu dx dc còn nhỏ nên quá trình sa lắng diễn ra còn yếu, nhưng sự sa lắng tăng lên làm dx dc
tăng nên tốc độ khuyếch tán cũng tăng cho đến khi đạt cân bằng sa lắng [7].
+ Tính chất điện:
Các phần tử mang điện trong hệ keo tập trung trên bề mặt các hạt keo hình thành một trật tự phân bố. Đặc biệt trên bề mặt chia pha. Các cấu trúc này được gọi là lớp điện tích kép. Lớp điện tích kép đó ảnh hưởng đến tính chất bền vững của hệ phân tán, đặc biệt là hệ keo kim loại (Ag, Au, Cu,..) [7, 19]. Do sự ion hoá hay sự hấp phụ ion bám trên bề mặt chất rắn gọi là ion tạo thế, ion ngược dấu được chuyển vào dung dịch hoặc còn lại trong dung dịch gọi là ion đối. Trong dung dịch còn có thể có các ion khác được phân ly từ những phân tử trung hòa, tổng điện tích ion dương và âm phân ly ra là bằng nhau. Nói chung tổng thể hệ keo là trung hoà điện, riêng bề mặt hạt keo và dung dịch có tổng giá trị điện tích như nhau nhưng ngược dấu. Do cấu tạo của các lớp điện tích trong hệ keo, người ta đã tìm ra các hiện tượng điện động học đó là điện thẩm, điện di, điện thế chảy, điện thế sa lắng.
Qua các hiện tượng điện động có thể xác định được thếđiện động Zeta (), nó có ý nghĩa quyết định đến độ bền của hệ keo. phụ thuộc rất nhiều yếu tố: thành phần pha, nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, bản chất môi trường phân tán, kích thước hạt,.. [7, 19].
Thế Zeta có thể âm hoặc dương (tùy điện tích của hạt keo). Giá trị của thế Zeta cho biết độ bền của hệ keo, keo càng bền khi giá trị của càng lớn [39].
+ Tính chất cơ học:
- Độ nhớt của keo không kết cấu (sự keo tụ gây ra do kết dính bằng lực Van der Waals) được Einstein biểu diễn bằng phương trình:
n 0 0 k (1.37)
32
Trong đó và o là độ nhớt của dung dịch keo và môi trường phân tán.
n = Vd/V ; Vd là thể tích pha phân tán, V là thể tích của hệ và k là hằng số phụ thuộc hình dạng hạt.
- Độ nhớt của keo kết cấu (sự keo tụ hình thành không phải do lực Van der