CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.3. Phương pháp tổng hợp và biến tính vật liệu nanosilica
2.3.3.1. Tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu
Vỏ trấu sấy khô được nghiền thành bột mịn. Cân khoảng 80 g vỏ trấu trong cốc thuỷ tinh dung tích 1lit có chứa 386 g H2O cất 2 lần và 14 g axit sunfuric (H2SO4) 98% đặc khuấy và gia nhiệt trong 5 giờ ở tốc độ 8 và nhiệt độ 1500C. Sau khi xử lý bằng axit rửa nhiều lần bằng nước cất. Tiếp đó sấy khơ mẫu ở 1000C trước khi chuyển ra chén nung ở 8000
C trong 24 giờ. Mẫu được để nguội về nhiệt độ phòng sẽ được rửa lần 2 lần bằng axit H2SO4 loãng. Sau mỗi lần rửa vật liệu được rửa kĩ bằng nước cất và nung lại ở ở 8000
C trong 15 giờ để hoạt hóa bề mặt vật liệu [67,68]. Cuối cùng mẫu được để nguội trong bình hút ẩm desicator trước khi bảo quản trong lọ PE sạch.
Hình 2.1. Ảnh chụp vỏ trấu (a), vỏ trấu nghiền thành bột (b) và vật liệu nanosilica được chế tạo thành công từ vỏ trấu (c).
Đặc tính của vật liệu nanosilica điều chế từ vỏ trấu được nghiên cứu bằng các phương pháp XRD, FT-IR và SEM.
2.3.3.2. Nguyên tắc biến tính vật liệu silica
Khi sử dụng trực tiếp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu chưa biến tính thì khả năng hấp phụ khơng cao nên khó có thể ứng dụng trong công nghệ xử lý nước và nước thải cũng như để tách các kháng sinh trong mơi trường nước. Do đó, nghiên cứu biến tính vật liệu silica là cần thiết.
Khả năng hấp phụ của vật liệu silica phụ thuộc chính vào 2 yếu tố: độ xốp của vật liệu và bản chất điện tích bề mặt hay tính phân cực của bề mặt vật liệu.
Các lỗ xốp trên bề mặt vật liệu có vai trị như trung tâm hấp phụ. Các phần tử sẽ bị lưu giữ phần lớn trên các trung tâm này. Do vậy, biến tính vật liệu silica để tăng thêm độ xốp là một yếu tố cần thiết.
Ngồi ra với vật liệu khơng xốp và có tỉ trọng điện tích bề mặt khơng cao như silica chế tạo từ vỏ trấu, việc biến tính điện tích bề mặt và tăng độ xốp rất quan trọng khi hấp phụ các hợp chất phân cực, mang điện tích.
a) Biến tính vật liệu silica bằng PDADMAC
Biến tính vật liệu silica bằng PDADMAC là nhờ lực hút tĩnh điện mà các phân tử PDADMAC mang điện dương bám lên bề mặt các hạt silica tích điện âm. Phân tử polyme này đủ dài để tạo thành cầu nối giữa các hạt silica lại với nhau (Hình 2.2). Ngồi ra PDADMAC là một polyme mang điện dương mạnh nên phù hợp đối với các dung dịch có pH từ thấp tới cao.
Hình 2.2. Cơ chế hấp phụ PDADMAC vào bề mặt vật liệu silica
Một ưu điểm nổi trội của PDADMAC là mức độ lưu giữ tốt trên bề mặt vật liệu mặc dù chịu tác động của lực cơ học như ly tâm [63]
Hình 2.3. Mức độ lưu giữ PDADMAC trên bề mặt vật liệu sau khi li tâm b) Cách xử lý, biến tính vật liệu silica b) Cách xử lý, biến tính vật liệu silica
- Vật liệu silica trước khi sử dụng cần được sấy ở nhiệt độ 1000C trong 5h và để nguội về nhiệt độ phòng trong Desicator. Cân 5g vật liệu trong 50 ml nước cất 2 lần, bảo quản trong lọ nhựa, sau đó rung siêu âm và lắc đều đến khi thu được dung dịch đồng nhất.
- Hút chính xác dung dịch đồng nhất ở trên cho vào 1 ống falcon 15 ml, thêm vào 0,25 ml dung dịch PDADMAC 20%, thêm dung dịch muối KCl 1M với thể tích khác nhau để nghiên cứu ảnh hưởng của lực ion, định mức bằng nước cất 2 lần đến 10 ml, sau đó chỉnh pH bằng dung dịch KOH 0,1M và dung dịch HCl 0,1M. Sau đó, đem lắc trên máy lắc trong vòng 3 giờ.
- Sau 3 giờ lắc, lấy dung dịch đem đi li tâm, gạn bỏ phần dung dịch phía trên. Tiếp đến là rửa chất hấp phụ trong ống bằng nước cất hai lần để loại bỏ phần
PDADMAC có thể cịn lại trong dung dịch. - Sấy vật liệu silica đã được biến tính ở 600
C trong 8 giờ.
- Vật liệu đã được biến tính sau khi sấy khơ sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo về hấp phụ và thử điều kiện tách các kháng sinh.
- Nồng độ PDADMAC còn lại trong dung dịch cũng được xác định bằng phương pháp đo tổng TN.
2.4. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
2.4.1. Hóa chất
- Chất chuẩn kháng sinh Amoxicillin (AMO.3H2O) 98% được mua từ cơng ty hóa chất cơng nghiệp Tokyo Chemical Industry, Nhật Bản.
- Chất chuẩn kháng sinh Cefixime (CEF), độ tinh khiết 99% được mua từ Viện kiểm nghiệm Dược phẩm trung ương.
- Axit HCl 37 % và axit H2SO4 98%, pA – Scharlau, Tây Ban Nha.
- Các hóa chất khác như: KOH, KCl đều là loại tinh khiết phân tích của Merck. - Dung dịch Polyme PDADMAC 20%, khối lượng phân tử 400-500 kg/mol- Sigma
2.4.2. Thiết bị
- Để xác định hàm lượng AMO và CEF trước và sau khi hấp phụ, nghiên cứu sử dụng phương pháp UV- Vis trên thiết bị quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, (1650-PC- Shimadzu, Nhật Bản).
Hình 2.4. Thiết bị quang phổ tử ngoại khả kiến UV – 1650PC, Shimadzu, Nhật Bản Nhật Bản
- Thiết bị phân tích tổng cacbon (TOC-V CPH , Shimadzu, Nhật Bản) có nối ghép với bộ đo tổng nitơ.
- Thiết bị quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR Affinity-1S, Shimadzu, Nhật Bản).
- Thiết bị nhiễu xạ Rơnghen XRD (Bruker D8 Advance, Đức).
- Thiết bị kính hiển vi điện tử quét SEM (JEOLJSM 6360, Nhật Bản) - Máy rung siêu âm, có gia nhiệt của hãng BRANSONIC 521.
- Máy lắc ngang Cole Parmer, 51704 (Mỹ).
- Máy đo pH của hãng HANNA với điện cực thủy tinh và các dung dịch pH đệm pH để chuẩn lại thiết bị cùng điện cực trước khi đo.
- Thiết bị lọc nước deion Labconco (Mỹ).
- Cân phân tích của hãng S¢ientech (Mỹ), độ chính xác 0,1mg. - Tủ lạnh Sanaky VH-2899W dùng bảo quản mẫu.
- Máy ly tâm để bàn DIGISYSTEM (Đài Loan) tốc độ 6000 rpm. Dụng cụ:
+ Bình định mức 10, 25, 50, 100 ml. + Pipet các loại 1, 2, 5, 10, 25 ml. + Micropipet 20; 100; 200; 1000 µL. + Các ống falcon 15ml.
+ Phễu thủy tinh, chén nung.
+ Cốc thủy tinh các loại 50, 100, 250 ml
+ Một số dụng cụ thơng thường khác trong phịng thí nghiệm.
Tất cả các dụng cụ đều phải được rửa sạch và tráng bằng nước cất 2 lần và sấy khô trước khi sử dụng.
CHUƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc trƣng của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu
Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen (XRD) của vật liệu silica chế tạo từ vỏ trấu được cho ở Hình 3.1.
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - SiO2
File: ThanhPT SiO2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 6 s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0
L in (C p s ) 0 100 200 300 400 500 2-Theta - Scale 1 10 20 30 40 50 60 70
Hình 3.1. Giản đồ XRD của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu.
Giản đồ XRD của vật liệu silica cho thấy sự xuất hiện góc rộng ở 2θ = 20º - 24º, chứng tỏ sự xuất hiện của silica ở dạng vơ định hình.
Phổ hồng ngoại FT-IR (Hình 3.2) có sự xuất hiện của các pic tại 1037,77 cm−1 ; 812,03 cm−1 và 470,63 cm−1 đặc trưng cho các dao động hóa trị bất đối xứng, dao động đối xứng và dao động biến dạng của phân tử SiO2[6]. Sự xuất hiện của pic chân rộng ở 3466,08 cm−1 và pic nhỏ tại 1633,71 cm−1 đặc trưng cho dao động của nhóm–OH. Kết quả phổ hồng ngoại cho thấy sự tồn tại của các liên kết Si-O-Si của vật liệu silica.
Hình 3.2. Phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu.
Ảnh SEM của vật liệu silica được chỉ ra ở Hình 3.3. cho thấy kích thước trung bình của vật liệu trong khoảng 40-60 nm, chứng tỏ silica chế tạo từ vỏ trấu là vật liệu nano.
Hình 3.3. Ảnh SEM của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu.
3.2. Biến tính bề mặt vật liệu nanosilica bằng hấp phụ polyme PDADMAC
Bề mặt vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu được biến tính bằng hấp phụ polyme mang điện dương PDADMAC. Ảnh hưởng của pH tới dung lượng hấp phụ
polyme PDADMAC (Γ) trên vật liệu nanosilica được chỉ ra ở Hình 3.4 trong khi ảnh hưởng của nồng độ muối KCl được cho ở Hình 3.5
Hình 3.4. Ảnh hưởng của pH tới hấp phụ polyme PDADMAC trên
nanosilica.
Hình 3.4 cho thấy dung lượng hấp phụ polyme mang điện dương PDADMAC trên vật liệu nanosilica tăng khi tăng pH của dung dịch từ 3 đến 10. Khi tăng pH, điện tích bề mặt của vật liệu silica âm điện hơn điều đó làm tăng cường khả năng hấp phụ polyme mang điện dương mạnh [29]. Tuy nhiên, khi tăng pH quá cao, silica có thể bị hịa tan một phần làm vật liệu bị thay đổi tính chất bề mặt và kích thước hạt do đó pH = 10 được chọn để nghiên cứu hấp phụ polyme PDADMAC để biến tính bề mặt nanosilica.
Lực ion hay nồng độ muối nền có ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ PDADMAC vì hấp phụ polyme mang điện thường chịu ảnh hưởng của lực tương tác tĩnh điện và các lực tương tác khác[8]. Hấp phụ PDADMAC trên vật liệu nanosilica được tiến hành trong nền muối KCl có nồng độ từ 0,1 mM đến 100 mM ở pH = 10 (Hình 3.5).
Hình 3.5. Ảnh hường của nồng độ muối KCl tới khả năng hấp phụ polyme PDADMAC trên vật liệu nanosilica PDADMAC trên vật liệu nanosilica
Kết quả Hình 3.5 cho thấy dung lượng hấp phụ polyme PDADMAC trên vật liệu nanosilica tăng khi tăng nồng độ muối KCl từ 0,1 mM đến 100 mM, đặc biệt khi nồng độ muối tăng chứng tỏ các lực tương tác bao gồm lực tương tác tĩnh điện và các lực tương tác không tĩnh điện như lực tương tác bên hay lực tương tác kị nước của các phân tử polyme quyết định tới khả năng hấp phụ và biến tính bề mặt nanosilica bằng PDADMAC.
Như vậy, điều kiện để biến tính vật liệu nanosilica bằng hấp phụ polyme PDADMAC là pH = 10 và nền muối NaCl 100 mM.
3.3. Xây dựng quy trình phân tích kháng sinh Amoxicillin và Cefixime bằng phƣơng pháp UV-Vis phƣơng pháp UV-Vis
3.3.1. Chọn bước sóng đo phổ
Phổ của Amoxicillin (AMO) và Cefixime (CEF) được tiến hành quét trong khoảng 190 – 350 nm sử dụng cuvet thạch anh bề dày 1 cm, thời gian quét phổ t=3s để xác định các cực đại hấp thụ.
Phổ UV-Vis của kháng sinh AMO tại nồng độ 10ppm trong nền muối KCl 1mM thu được trong Hình 3.6.
Hình 3.6. Phổ UV-Vis của kháng sinh AMO
Kết quả quét phổ cho thấy AMO có phổ hấp thụ quang cao nhất ở 228,6 nm. Do đó, bước sóng 228,6 nm được chọn để phân tích định lượng AMO trong các dung dịch mẫu.
Phổ UV-Vis của kháng sinh CEF tại nồng độ 10 ppm trong nền muối KCl 1mM thu được trong Hình 3.6
Hình 3.7. Phổ UV-Vis của kháng sinh CEF
Hình 3.8.
Kết quả quét phổ Hình 3.7 cho thấy CEF có phổ hấp thụ quang cao nhất ở 287 nm. Do đó, bước sóng 287 nm được chọn để phân tích định lượng CEF trong các
dung dịch mẫu.
3.3.2. Khảo sát khoảng tuyến tính
3.3.2.1. Khảo sát khoảng tuyến tính của AMO
Đo độ hấp thụ quang các dung dịch kháng sinh AMO ở các nồng độ 1,00; 2,00; 4,00; 6,00; 8,00; 10,00; 12,00; 14,00; 16,00; 18,00; 20,00; 22,00; 25,00 (ppm) tại bước 228,6 nm, tìm khoảng tuyến tính của kháng sinh AMO. Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính của phương pháp UV-Vis xác định AMO được chỉ ra trong Hình 3.8.
Hình 3.8. Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của kháng sinh AMO
Dựa vào kết quả Hình 3.8 có thể tìm được khoảng tuyến tính của AMO là 1,00- 18,00 ppm
3.3.2.2. Khảo sát khoảng tuyến tính của CEF
Đo độ hấp thụ quang lần lượt của kháng sinh CEF tại các nồng độ 1,00;2,00; 4,00; 6,00; 8,00; 10,00; 12,00; 14,00; 16,00; 18,00; 20,00; 22,00; 25,00; 30,00; 35,00; 40,00 (ppm) tại bước sóng 287nm, dung dịch so sánh là mẫu trắng để tìm ra khoảng tuyến tính của kháng sinh CEF. Kết quả khảo sát khoảng tuyến tính của phương pháp UV-Vis xác định CEF được chỉ ra trong Hình 3.9.
Hình 3.9. Khoảng tuyến tính của kháng sinh CEF
Dựa vào kết qủa Hình 3.9 tìm được khoảng tuyến tính của CEF là 1,00-25,00 ppm
3.3.3. Xây dựng đường chuẩn
Chuẩn bị các mẫu dung dịch chuẩn kháng sinh AMO và CEF ở các nồng độ khác nhau như :1,00÷ 18,00 ppm đo độ hấp thụ quang tại bước sóng 228,6 nm đối với AMO và 1,00÷20,00 ppm tại bước sóng cực đại 287 nm. Mỗi mẫu được tiến hành đo 3 lần và lấy giá trị trung bình trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2
Từ mối quan hệ giữa độ hấp thụ quang và nồng độ các kháng sinh thu được tiến hành xây dựng đường chuẩn phương trình hồi quy tuyến tính như Hình 3.10 và Hình 3.11 sau:
Hình 3.10. Đường chuẩn xác định AMO
Với đường chuẩn xác định ở Hình 3.10, tra bảng chuẩn t với bậc tự do f = 8, độ tin cậy 95% có t = 3,06, kết hợp với các giá trị a, b, Sa, Sb, Sy của các chất từ phần mềm Origin 6.5, thu được phương trình hồi quy đầy đủ xác định AMO bằng phương pháp UV-Vis là:
Y = (0,0000895 ± 0,0055386) + (0,03287 ± 0,000514)X với Y là độ hấp thụ quang Abs, X là nồng độ AMO trong dung dịch
Bảng 3.2. Độ hấp thụ quang của kháng sinh CEF tại các nồng độ khác nhau
CAMO (ppm) Abs 1,00 0,034 2,00 0,065 4,00 0,134 6,00 0,193 8,00 0,263 10,00 0,330 12,00 0,414 14,00 0,455 16,00 16,00 0,528 18,00 0,592
CCEF(ppm) Abs 1,00 0,056 2,00 0,106 4,00 0,213 6,00 0,337 8,00 0,45 10,00 0,561 12,00 0,673 14,00 0,807 16,00 0,91 18,00 1,039 20,00 1,164
Hình 3.11. Đường chuẩn xác định CEF
Với đường chuẩn xác định ở Hình 3.11, tra bảng chuẩn t với bậc tự do f = 9, độ tin cậy 95% có t = 2,262 kết hợp với các giá trị a, b, Sa, Sb, Sy của các chất từ phần mềm Origin 6.5, thu được phương trình hồi quy đầy đủ xác định CEF bằng phương pháp UV-Vis là:
Y = (- 0,01399 ± 0,011287) + (0,05829 ± 0,000954)X với Y là độ hấp thụ quang Abs, X là nồng độ CEF trong dung dịch.
3.3.4. Đánh giá phương trình hồi quy của đường chuẩn.
Trong phương trình hồi quy Y = A + B.X, trường hợp lý tưởng xảy ra khi khơng có chất phân tích thì khơng có tín hiệu. Tuy nhiên, trong thực tế các số liệu phân tích thường mắc sai số ngẫu nhiên và A= 0. Nếu giá trị A khác 0 có ý nghĩa thống kê thì phương pháp phân tích mắc sai số hệ thống. Vì vậy, trước khi sử dụng đường chuẩn cho chất phân tích cơng cụ thì cần kiểm tra sự khác nhau giữa giá trị A và 0 có ý nghĩa thống kê hay khơng.
Dựa trên phần mềm origin 6.5, ta có thể tìm được giá trị Pvalue của hằng số A trong các đường chuẩn trên thì Pvalue <0.0001 tức (<0,05) chứng tỏ rằng hệ số A của cả phương trình đường chuẩn khác 0 khơng có ý nghĩa thống kê. Tức là ở độ tin cậy 95 %, phương pháp không mắc sai số hệ thống.
3.3.5. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) theo đường
chuẩn
3.3.5.1. Giới hạn phát hiện (limit of detection –LOD)
Giới hạn phát hiện (LOD) là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà hệ thống phân tích cịn cho tín hiệu phân tích khác có nghĩa so với tín hiệu mẫu trắng hay tín hiệu nền.
Giới hạn phát hiện là thông số đặc trưng cho độ nhạy của phương pháp phân tích. Để xác định LOD của kháng sinh Amoxicillin, Cefixime tiến hành xác định LOD dựa vào độ lệch chuẩn của phương trình hồi quy[11].
LOD AMO = b Sy 3 = 03287 , 0 00299 , 0 3 = 0,27 (ppm) LOD CEF = b Sy 3 = 05829 , 0 00577 , 0 3 = 0,30 (ppm)