Phân tích đặc tính protein và axit amin trên bề mặt vật liệu nanosilica bằng các phương pháp quang phổ hiện đại

Phân tích đặc tính protein và axit amin trên bề mặt vật liệu nanosilica bằng các phương pháp quang phổ hiện đại Phân tích đặc tính protein và axit amin trên bề mặt vật liệu nanosilica bằng các phương pháp quang phổ hiện đại luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM TIẾN ĐỨC

Hà Nội – 2019

Em xin chân thành cảm ơn các anh, chị, em và các bạn trong phòng thí nghiệm bộ môn Hóa Phân Tích đã giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên em trong thời gian học tập và thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 11 năm 2019

Học viên

Hoàng Thị Sim

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu cây Chùm ngây 3

1.1.1 Đặc điểm thực vật và phân bố 3

1.1.1.1 Tên gọi 3

1.1.1.2 Đặc điểm thực vật 3

1.1.2 Công dụng của cây Chùm ngây 4

1.2 Các nghiên cứu về hạt Chùm ngây 6

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước 7

1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước 7

1.3 Giới thiệu về axit amin L-Tryptophan 9

1.4 Giới thiệu vật liệu nanosilica 10

1.5 Ứng dụng của nanosilica 11

1.6 Lý thuyết về phương pháp hấp phụ 14

1.6.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ 14

1.6.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 16

1.6.3 Động học hấp phụ 18

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Đối tượng nghiên cứu 20

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 20

2.3 Phương pháp nghiên cứu 20

2.3.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 20

2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR 21

2.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 22

2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen XRD 23

2.3.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET 23

2.3.6 Phương pháp tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu 24

2.3.7 Phương pháp tách chiết, tinh chế protein từ hạt Chùm ngây 25

2.4 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 26

2.4.1 Hóa chất 26

2.4.2 Thiết bị 26

2.4.3 Dụng cụ 27

2.5 Pha chế các dung dịch 27

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Đặc trưng của vật liệu nanosilica được tổng hợp từ vỏ trấu 29

3.1.1 Phổ hồng ngoại (FT-IR) 29

3.1.2 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen (XRD) 30

3.1.3 Ảnh TEM 30

3.1.4 Xác định diện tích bề mặt theo BET 31

3.2 Định tính và định lượng protein tách chiết từ hạt Chùm ngây 32

3.2.1 Phản ứng biure của bột protein tách được từ hạt cây Chùm ngây 32

3.2.2 Phổ hồng ngoại (FT-IR) 32

3.2.3 Phân tích định lượng protein bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC 33

3.3 Phương pháp phân tích xác định nồng độ L-Trp và nồng độ protein 36

3.3.1 Phân tích L-Trp và protein bằng phương pháp UV-Vis 36

3.3.2 Đường chuẩn xác định axit amin L-Trp và protein tách chiết từ hạt Chùm ngây 37

3.4 Hấp phụ axit amin L-Trp trên vật liệu nanosilica 39

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH 39

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của lực ion 40

3.4.3 Khảo sát lượng vật liệu hấp phụ 42

3.4.4 Khảo sát thời gian hấp phụ 44

3.4.5 Cơ chế hấp phụ 45

3.5 Hấp phụ protein tách chiết từ hạt Chùm ngây trên vật liệu nanosilica được tổng hợp từ vỏ trấu 48

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH 48

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của lực ion 49

3.5.3 Khảo sát lượng vật liệu hấp phụ 51

3.5.4 Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng 52

3.5.5 Đánh giá sự thay đổi điện tích bề mặt vật liệu hấp phụ bằng phương pháp đo thế zeta 54

3.5.6 Đánh giá sự thay đổi nhóm chức bề mặt bằng phổ hồng ngoại 55

3.5.7 Hấp phụ đẳng nhiệt 56

3.5.8 Hấp phụ động học 59

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC……… 69

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

FT-IR Fourier transform infrared

spectroscopy

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

HPLC High Performance Liquid

Chromatography

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

TEM Tranmisstion electron

microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

UV-Vis Ultraviolet Visible Spectroscopy Phổ hấp thụ phân tử vùng tử

ngoại khả kiến

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các bộ phận của cây Chùm ngây 3

Hình 1.2 Cấu trúc (L)-Tryptophan 10

Hình 1.3 Cấu trúc ghép tứ diện SiO 2 10

Hình 2.1 Vỏ trấu (Ảnh trái); Vỏ trấu nghiền dạng bột (Ảnh giữa); Nanosilica tổng hợp từ vỏ trấu (Ảnh phải) 25

Hình 2.2 Hạt Chùm ngây nghiền (A), Bột protein tách chiết từ hạt Chùm ngây (B) 26

Hình 3.1 Phổ hồng ngoại FT-IR của nanosilica tổng hợp từ vỏ trấu 29

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ XRD của vật liệu nanosilica tổng hợp từ vỏ trấu 30

Hình 3.3 Ảnh TEM của SiO 2 31

Hình 3.4 Đường hấp phụ đẳng nhiệt N 2 của SiO 2 31

Hình 3.5 Thử bột protein với biure 32

Hình 3.6 Phổ hồng ngoại FT-IR của protein hạt Chùm ngây 33

Hình 3.7 Phổ UV-Vis của L-Trp 36

Hình 3.8 Phổ UV-Vis của protein Chùm ngây 36

Hình 3.9 Đường chuẩn xác định axit amin L-Trp 37

Hình 3.10 Đường chuẩn xác định protein hạt Chùm ngây 38

Hình 3.11 Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ (L)-Trp trên nanosilica 40

Hình 3.12 Ảnh hưởng của lực ion đến dung lượng hấp phụ L-Trp trên vật liệu nanosilica 41

Hình 3.13 Ảnh hưởng của lượng vật liệu đến dung lượng hấp phụ L-Trp trên vật liệu nanosilica 43

Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ L-Trp trên SiO 2 45

Hình 3.15 Động học hấp phụ của hấp phụ L-Trp lên nanosilica tính theo mô hình giả bậc một 46

Hình 3.16 Động học hấp phụ của hấp phụ L-Trp lên nanosilica tính theo mô hình giả bậc hai 46

Hình 3.17 Thế zeta của nanosilica trước và sau khi hấp phụ L-Trp ở pH 4 và pH 10 trong 1 mM KCl 47

Hình 3.18 Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ protein trên SiO 2 49

Hình 3.19 Ảnh hưởng của nền muối KCl đến khả năng hấp phụ protein trên SiO 2 50 Hình 3.20 Ảnh hưởng của lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ protein trên SiO 2 52 Hình 3.21 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ protein trên SiO 2 54 Hình 3.22 Thế zeta của nanosilica trước và sau khi hấp phụ protein ở pH 10 trong 1 mM KCl 55 Hình 3.23 Phổ FI-IR của vật liệu SiO 2 hấp phụ protein 56 Hình 3.24 Hấp phụ đẳng nhiệt của protein hấp phụ trên nanosilica ở các nồng độ muối nền KCl khác nhau 58 Hình 3.25 Đường động học theo mô hình giả bậc 1 của quá trình hấp phụ protein trên nanosilica tại các nồng độ protein khác nhau 60 Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn động học giả bậc 2 của protein hấp phụ lên nanosilica 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng so sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 15 Bảng 3.1 Thành phần 18 axit amin trong bột protein tách chiết từ hạt Chùm ngây 35 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hấp phụ L-Trp trên nanosilica 39 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lực ion đến hấp phụ L-Trp trên nanosilica 41 Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu đến hấp phụ L-Trp trên nanosilica 43 Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hấp phụ L-Trp trên nanosilica 44 Bảng 3.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hấp phụ protein trên nanosilica 48 Bảng 3.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lực ion đến sự hấp phụ protein trên SiO 2 50 Bảng 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu đến sự hấp phụ protein trên nanosilica 51 Bảng 3.9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ protein trên SiO 2 53 Bảng 3.10 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu của protein tới khả năng hấp phụ protein trên nanosilica 57 Bảng 3.11 Các thông số sử dụng trong mô hình 2 bước hấp phụ 58 Bảng 3.12 Các thông số mô hình động học hấp phụ của protein trên nanosilica 61

cơ tổng hợp thường được sử dụng rộng rãi trong hấp phụ xử lý môi trường nước ô nhiễm [14] Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng khi sử dụng các hóa chất trên, bệnh Alzheimer ở người cao tuổi được xác nhận là có liên quan đến dư lượng nhôm trong nước sinh hoạt [8, 10], trong khi nhiều loại polyme tổng hợp có độc tính đã bị cấm sử dụng tại Nhật Bản và Thụy Sỹ [12]

Chùm ngây (Moringa oleifera) là một cây nhiệt đới thuộc họ Moringaceae xuất xứ từ

vùng Nam Á Hạt cây Chùm ngây chứa một lượng lớn protein có khối lượng phân tử là 6 – 13kDa Protein được tách chiết từ cây Chùm ngây đã được nghiên cứu trong xử lý nước [37], xử lý các chất thải công nghiệp đạt hiệu quả cao [24] Tương tác của protein Chùm ngây với một số chất hoạt động bề mặt cũng đã được nghiên cứu [22, 33, 51] Với hiệu quả

xử lý nước cao, protein được tách chiết từ hạt cây Chùm ngây là chất tự nhiên có nguồn gốc thực vật, thân thiện với môi trường cũng như an toàn với sức khỏe có thể là giải pháp dần thay thế hoặc thay thế một phần các chất keo tụ nhân tạo

Vỏ trấu là một nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất sẵn có Từ vỏ trấu có thể dễ dàng tổng hợp được vật liệu nanosilica (SiO2) Nanosilica đã được sử dụng trong xử lý nước và nước thải, trong đó có xử lý dư lượng kháng sinh Tuy nhiên, nanosilica thường có bề mặt mang điện âm, tỉ trọng điện tích bề mặt nhỏ nên khả năng để xử lý các chất gây ô nhiễm không cao Để nâng cao hiệu suất xử lý, một số nhà nghiên cứu đã đưa ra phương pháp biến tính bề mặt vật liệu nanosilica

Axit amin có tầm quan trọng lớn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất các hợp chất dược phẩm và hóa chất nông nghiệp và cảm biến y sinh [35, 50] Nhiều nghiên cứu

đã được thực hiện để nghiên cứu sự hấp phụ của các axit amin trên các vật liệu khác nhau như khoáng chất [21, 55], zeolite [29, 49], than hoạt tính [50] và chất hấp phụ polymer [19] Nghiên cứu về sự hấp phụ axit amin không chỉ có thể góp phần hiểu rõ hơn về sự hấp phụ protein trên các vật liệu mà còn cung cấp sự phân tách hoặc tinh chế axit amin Với mục đích này, axit amin L-Tryptophane đã được lựa chọn để nghiên cứu hấp phụ trên vật liệu nanosilica tổng hợp

Các nghiên cứu về hấp phụ xử lý kháng sinh sử dụng vật liệu nanosilica biến tính bằng polyme mang điện đã được nghiên cứu một cách hệ thống tuy nhiên hấp phụ biến tính nanosilica bằng protein hay axit amin ứng dụng xử lý kháng sinh chưa được công bố trong nước và quốc tế Một nghiên cứu hệ thống về hấp phụ protein tách chiết từ hạt Chùm ngây trên nanosilica có thể làm tiền đề để ứng dụng để xử lý dư lượng kháng sinh trong môi trường nước Để phân tích đặc tính hấp phụ của protein và axit amin việc sử dụng các phương pháp phân tích là đặc biệt quan trọng Các phương pháp quang phổ hiện đại phù hợp mục tiêu đánh giá đặc tính bề mặt của protein và axit amin trên vật liệu nanosilica

Trên cơ sở đó, đề tài trong nghiên cứu này tập trung: “Phân tích đặc tính protein và

axit amin trên bề mặt vật liệu nanosilica bằng các phương pháp quang phổ hiện đại”

Hình 1.1 Các bộ phận của cây Chùm ngây

1.1.1.3 Phân bố sinh thái

Cây Chùm ngây có nguồn gốc ở vùng sơn cước Hi Mã Lạp Sơn ở Tây Bắc Ấn Độ nhưng ngày nay được trồng rộng rãi ở Châu Phi, Trung Mỹ, Nam Mỹ và Đông Nam Á (Campuchia, Malaysia, Indonesia) Ở Việt Nam, Chùm ngây là loài duy nhất của chi Chùm ngây được phát hiện mọc hoang từ lâu đời tại nhiều nơi như Thanh Hóa, Hà Tĩnh, Ninh Thuận, Bình Thuận, vùng Bảy Núi ở An Giang, đảo Phú Quốc Tuy vậy trước đây cây ít được biết đến, có nơi trồng chỉ để làm hàng rào Chỉ trong vài chục năm trở lại đây khi hạt cây từ nước ngoài được mang về Việt Nam, được trồng có chủ định và qua nghiên cứu người ta thấy cây có nhiều tác dụng đặc biệt nên tưởng là cây mới du nhập Với nhiều tác dụng đặc biệt nên hiện nay, ở Việt Nam, cây Chùm ngây đã được trồng rất nhiều với quy

mô lớn

1.1.2 Công dụng của cây Chùm ngây

1.1.2.1 Thành phần hóa học của cây Chùm ngây

Lá Chùm ngây chứa các hợp chất loại flanonoids và phenolic như kaempferol alpha-rhamnoside, kaempferol, syringic acid, gallic acid, rutin, quercetin 3-O-beta-glucoside Ngoài ra, các flavonol glycosides được xác định đều thuộc nhóm kaempferide nối kết với các rhamnoside hay glucoside cũng được tìm thấy trong lá Chùm ngây

3-O-Rễ Chùm ngây chứa Glucosinolates như 4-(alpha-L-rhamnosyloxy)benzyl glucosinolate (khoảng 1%) sau khi chịu tác động của myrosinase, sẽ cho 4-(alpha-L-rhamnosyloxy) benzyl isothiocyanate Glucotropaeolin (chừng 0.05%) sẽ cho benzylisothiocyanate

Hạt Chùm ngây chứa Glucosinolates (như trong rễ) có thể lên đến 9% sau khi hạt

đã được khử chất béo Các acid loại phenol carboxylic như 1-beta-D-glucosyl-2,6-dimethyl benzoate Dầu béo (20-50%) trong hạt Chùm ngây chứa phần chính gồm các acid béo như oleic acid (60-70%), palmitic acid (3-12%), stearic acid (3-12%) và các acid béo khác như behenic acid, eicosanoic và lignoceric acid

Một vài số liệu so sánh chất dinh dưỡng ở lá Chùm ngây:

- Vitamin C gấp 7 lần nhiều hơn trái Cam

- Vitamin A gấp 4 lần nhiều hơn Cà-rốt

- Calcium gấp 4 lần nhiều hơn sữa

- Chất sắt gấp 3 lần so với cải bó xôi

- Chất đạm (protein) gấp 2 lần nhiều hơn sữa chua

1.1.2.2 Công dụng

Cây Chùm ngây là một loài thực vật được trồng và thu hoạch như một loại rau sạch

và là cây thuốc có giá trị

Các bộ phận dùng làm rau gồm:

- Đọt và lá non: Được dùng làm rau phổ biến ở Việt Nam, Cam-pu-chia, pin, Nam Ấn Độ, Sri Lanka và Châu Phi

Phi-líp Búp hoa: Được làm rau xào hoặc nấu như đậu Hà Lan

- Hoa: Có thể ăn được khi nấu chín và có mùi như nấm

- Quả và hạt non: Được gọi là "đùi", được dùng làm ra phổ biến ở Châu Á và Châu Phi Trong vỏ hạt rất giàu vitamin C và vitamin B và các khoáng chất Quả và hạt non ăn như Đậu Hà Lan

- Hoa, lá và cành non, trái non đều luộc ăn được, lại có kích thích tiêu hóa và có tính kháng sinh (nhờ chất lacton: ptyrigospermin)

Theo Y học cổ truyền nước ngoài thì các bộ phận của cây như lá, rễ, hạt, vỏ cây, quả và hoa có những hoạt tính như kích thích hoạt động của tim và hệ tuần hoàn, hoạt tính chống u-bướu, hạ nhiệt, chống kinh phong, chống sưng viêm, trị ung loét, chống co giật, lợi tiểu, hạ huyết áp, hạ cholesterol, chống oxy-hóa, trị tiểu đường, bảo vệ gan, kháng sinh

và chống nấm Cây đã được dùng để trị nhiều bệnh trong Y học dân gian tại nhiều nước trong vùng Nam Á

Theo Y học cổ truyền Việt Nam thì cành lá cây Chùm ngây luộc ăn hay sắc uống kích thích tiêu hóa, kiện vị, trị tiêu chảy, kiết lỵ, viêm phổi Rễ Chùm ngây sắc uống, có tác dụng kiện vị; giã đắp làm sung huyết (tụ máu) thay cải Mù tạc trị thấp khớp Rễ cây Chùm ngây được cho là có tính kích thích, giúp lưu thông máu huyết, làm dễ tiêu hóa, tác

dụng trên hệ thần kinh, làm dịu đau Hoa có tính kích dục Hạt làm giảm đau Nhựa (gomme) từ thân có tác dụng làm giảm đau

Nghiên cứu tại ĐH Baroda, Kalabhavan, Gujarat (Ấn Độ) về hoạt tính trên các thông

số lipid của quả Chùm Ngây, thử trên thỏ, ghi nhận: Thỏ cho ăn Chùm ngây (200mg/kg mỗi ngày) hay uống lovastatin (6mg/kg/ ngày) trộn trong một hỗn hợp thực phẩm có tính cách tạo cholesterol cao, thử nghiệm kéo dài 120 ngày Kết quả cho thấy Chùm ngây và Lovastatin có tác dụng gây hạ cholesterol, phospholipid, triglyceride, VLDL (Very Low Density Lipoprotein - Lipoprotein mật độ rất thấp), LDL (Low Density Lipoprotein - Lipoprotein mật độ thấp) hạ tỷ số cholesterol/ phospholipid trong máu so với thỏ trong nhóm đối chứng Khi cho thỏ bình thường dùng Chùm ngây hay Lovastatin: mức HDL (High Density Lipoprotein) lại giảm hạ nhưng nếu thỏ bị cao cholesterol thì mức HDL lại gia tăng [9]

Bharali cùng cộng sự (2003) đã nghiên cứu dịch chiết hạt Chùm ngây cho thấy khả năng chuyển hóa enzyme chống ung thư gan, chống oxy hóa và chống ung thư da

ở chuột [9]

Stussi và cộng sự (2002) đã nghiên cứu và đạt được kết quả là hạt Chùm ngây có chứa protein chuyên dụng cho da và tóc Dầu của hạt còn được ứng dụng trong công nghiệp

mỹ phẩm Hạt Chùm ngây chứa các peptide có khả năng chống lại sự lão hóa Dịch chiết

từ hạt Chùm ngây còn có tác dụng tốt đối với tóc và được ứng dụng rộng rãi để sản xuất dầu gội đầu [9]

Ping – Hsien Chuang và cộng sự (2008) đã thử nghiệm hoạt tính kháng nấm trên dịch chiết EtOH và tinh dầu của lá và hạt Chùm ngây Kết quả cho thấy chúng có hoạt tính

diệt được nấm gây bệnh loại Trichophyton rubrum, Trichophyton mentagophytes, Epidermophyton floccosum và Microsporum canis [15]

1.2 Các nghiên cứu về hạt Chùm ngây

Hạt Chùm ngây tuy nhỏ bé, kích thước chỉ như hạt đậu phộng, nhưng có hàm lượng dưỡng chất rất lớn Hạt cây Chùm ngây chứa một lượng lớn protein có khối lượng phân tử

là 6 – 13kDa

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước

Trong nước, một số nhóm nghiên cứu sử dụng hạt Chùm ngây thành vật liệu xử lý nước Tác giả Võ Thị Hồng và cộng sự đã nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm trong nước của hạt cây Chùm ngây bằng một loạt thực nghiệm thực hiện bằng bình chứa trên các mẫu nước đục nhân tạo và tự nhiên Kết quả nghiên cứu cho thấy hạt cây Chùm ngây trồng và thu hái ở Việt Nam có khả năng làm giảm khoảng 80% độ đục của nước nhân tạo, ngay

cả khi độ đục ban đầu chỉ là 50 NTU Khi sử dụng hạt Chùm ngây để thực hiện quá trình keo tụ với nước sông, hiệu quả giảm độ đục đạt được khoảng 50% đối với nước có độ đục trung bình (44 NTU) nhưng lên tới 76% với nước có đục cao (170 NTU) [5]

1.2.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Hạt Chùm ngây có tính chất keo tụ Để nghiên cứu tính chất keo tụ của hạt Chùm ngây nhiều nhà khoa học đã sử dụng phương pháp phản xạ Neutron (Neutron Reflection) Phương pháp phản xạ neutron cho phép xác định cấu trúc và thành phần của các lớp giao thoa tại bề mặt phân cách pha rắn - lỏng Các neutron bị phân tán bởi các hạt nhân và chỉ

số khúc xạ neutron không chỉ phụ thuộc vào số lượng hạt nhân mà còn về cách chúng phân tán mạnh mẽ Hơn nữa, vì tia X và neutron có bước sóng ngắn, nó có độ phân giải cỡ nanomet, khi chiếu vào không bị phá hủy và nó có thể được áp dụng cho các giao diện bị chôn vùi, những thứ không dễ tiếp cận với các kỹ thuật khác Ngoài ra, nó cung cấp lợi thế

mà sự thay thế đẳng hướng có thể được sử dụng để đạt được độ tương phản lớn trong mật

độ chiều dài tán xạ Phản xạ Neutron hiện đang được sử dụng cho các nghiên cứu hóa học

bề mặt (chất hoạt động bề mặt, polyme, lipit, protein và hỗn hợp hấp phụ ở dạng lỏng / lỏng và giao diện rắn / lỏng), từ tính bề mặt (ultrathin Màng Fe, từ tính đa lớp, chất siêu dẫn) và phim rắn (phim Langmuir- Blodgett, phim rắn mỏng, đa lớp, màng polyme) [16]

Một số hạt vật liệu đã được sử dụng nghiên cứu keo tụ trong sự có mặt của protein Chùm ngây như các hạt vàng, silica và polystyren latex Các hạt này đã được chứng minh

có đường cong tán xạ tương đồng nhau

Habauka M Kwaambwa và các cộng sự (2010) đã nghiên cứu sự hấp phụ của protein tách chiết từ hạt Chùm ngây trên silica để làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của protein như một chất kết tụ Nghiên cứu sử dụng phản xạ Neutron để xác định cấu trúc và thành

phần của các lớp hấp phụ trên bề mặt tiếp xúc protein/silica Các lớp hấp phụ protein trên silica đã được xác định chứa khoảng 5,5 mg/m2 với nồng độ protein trên 0,025% Các lớp protein hấp phụ đa lớp cho thấy tương tác giữa các phân tử protein khá mạnh Sự hấp phụ mạnh của protein kết hợp với xu hướng liên kết của protein đặc tính như một chất keo tụ của protein trong hạt Chùm ngây [32]

Maja S Hellsing cùng các cộng sự (2014) đã nghiên cứu về sự keo tụ của protein được tách chiết từ hạt Chùm ngây như là một chất kết dính hiệu quả cho các hạt phân tán trong nước, hấp dẫn như một sản phẩm tự nhiên và bền vững để sử dụng trong lọc nước Nghiên cứu sử dụng phương pháp phản xạ Neutron với một mô hình hệ thống gồm các hạt polystyren latex và tán xạ neutron góc siêu nhỏ để xác định sự hấp phụ lên bề mặt của protein và hiện tượng keo tụ Tán xạ neutron góc siêu nhỏ khai thác sự tương phản của các hạt polystyren latex phân tán trong D2O để làm nổi bật liên kết protein đã cho thấy lượng protein hấp phụ đạt khoảng 3 mg/m2 [20]

M Pritchard và các cộng sự (2010) đã nghiên cứu so sánh hiệu suất xử lý nước của bột hạt Chùm ngây với muối nhôm Al2(SO4)3 và muối sắt Fe2(SO4)3 Một loạt các thử nghiệm bình chứa được thực hiện bằng cách sử dụng nước tự tạo, các nguồn nước thực khác nhau và nước chứa hỗn hợp của cả hai loại nước này Kết quả cho thấy bột hạt Chùm

ngây đã loại bỏ 84% độ đục và 88% E coli, trong khi muối nhôm loại bỏ lớn hơn hơn 99%

độ đục và E coli Bể chứa nước với lượng màu cao và số lượng E coli là 104 cfu/100 ml

và độ đục (160 NTU) được tạo ra một cách nhân tạo bởi cao lanh Trong điều kiện nước

này, bột hạt Chùm ngây đã loại bỏ được 83% màu sắc, 97% độ đục và giảm lượng E Coli

66% Các giá trị loại bỏ tương ứng đối với muối nhôm là 88% màu, 99% độ đục và 89%

E coli và đối với muối sắt là 93% màu, độ đục 98% và 86% E coli Mặc dù không hiệu

quả bằng muối nhôm hoặc muối sắt, nhưng bột hạt Chùm ngây cho thấy khả năng xử lý nước đục khá tốt đủ để khuyến khích sử dụng nó ở các quốc gia đang phát triển [42]

Kowanga và nhóm nghiên cứu (2016) đã nghiên cứu về sự hấp phụ kim loại nặng bằng bột hạt Chùm ngây Trong nghiên cứu này, bột hạt Chùm ngây đã được sử dụng như một chất hấp phụ tiềm năng để loại bỏ Cu (II) và Pb (II) khỏi dung dịch nước Điều kiện hấp phụ tối ưu thu được bao gồm pH cho sự hấp phụ của Cu (II) là 6,5 trong khi đó Pb (II)

là 5,5 Thời gian hấp phụ với Cu (II) là 30 phút và Pb (II) là 40 phút Phân tích phổ hồng

ngoại FT-IR cho thấy sinh khối hạt Chùm ngây đã loại dầu có sự hiện diện của amino axit, carboxyl, các nhóm hydroxyl và carbonyl, các nhóm này chịu tạo với Cu (II) và Pb (II) từ

đó có thể loại bỏ ra khỏi dung dịch nước [28]

Soumia Boulaadjoul và các cộng sự (2018) đã nghiên cứu bột hạt Chùm ngây hoạt tính như một chất keo tụ thân thiện với môi trường trong tăng cường xử lý nước thải nhà máy giấy Hiệu suất của bột hạt Chùm ngây làm giảm độ đục và giảm chỉ số COD đã được nghiên cứu và so sánh với muối nhôm sunfat Kết quả thu được cho thấy hiệu quả loại bỏ

độ đục đạt 96,02% khi sử dụng 150 mg/L bột hạt Chùm ngây, trong khi tỉ lệ giảm độ đục tối đa là 99,53% thu được với lượng muối nhôm 300 mg/L Ngoài ra, mức giảm COD tối

đa là 97,28% và 93,31% đã thu được khi sử dụng 150 mg/L của hạt Chùm ngây, và lượng muối nhôm 300 mg / L Nghiên cứu đã chứng tỏ bột hạt Chùm ngây là một vật liệu thích hợp và thay thế chất keo tụ truyền thống trong xử lý nước hướng tới tiêu chí an toàn cho sức khỏe con người [13]

1.3 Giới thiệu về axit amin L-Tryptophan

Tryptophan là một axit amin thiết yếu được hình thành từ protein trong quá trình hoạt động của các enzyme thủy phân Tryptophan chỉ được hấp thu thông qua thực phẩm trong khi cơ thể không thể tự tổng hợp được

Tryptophan rất cần thiết cho việc sản xuất vitamin B3, vitamin B6 biotin, vitamin C

và kẽm để tạo thành các enzym cần thiết cho các phản ứng chuyển đổi trong cơ thể Tryptophan tăng cường thư giãn và giấc ngủ, giúp làm dịu thần kinh và lo lắng và làm giảm cảm giác thèm ăn Tryptophan giúp kiểm soát hoạt động thoái hóa ở trẻ em, làm giảm căng thẳng và tăng cường hormone tăng trưởng cần thiết để sản xuất vitamin B6 Tryptophan là một axit amin có ở hầu hết các loại thực phẩm socola, yến mạch, sữa, sữa chua, phô mai, trứng, cá, thịt gia cầm, thịt, vừng, đậu xanh, bánh hướng dương, hạt bí ngô, đậu phộng

Tryptophan - axit amin chiral là một trong những phân tử sinh học quan trọng nhất bởi vì sự liên quan của chúng trong tự nhiên và sự phong phú hóa học của chúng Các axit amin chiral có hai đồng phân quang học (không thay thế hình ảnh phản chiếu), được gọi là

D / L (theo cấu hình), R / S (theo cấu hình) và ± (bằng hoạt động quang học) Trong tự nhiên, axit amin đa phần ở dạng L có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực

phẩm và dược phẩm Cấu trúc (L)-Tryptophan được mô tả ở hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc (L)-Tryptophan

1.4 Giới thiệu vật liệu nanosilica

Silica là tên thường gọi của silic đioxit (SiO2), có cấu trúc mạng lưới không gian đa chiều, mỗi nguyên tử silic nằm trong tâm tứ diện tạo bởi các đỉnh chứa nguyên tử oxi Nếu các tứ diện này được sắp xếp đều đặn và có trật tự sẽ thu được silica tinh thể, ngoài ra còn

có cấu trúc vô định hình Phân tử này luôn luôn tồn tại ở phân tử lớn mà không ở dạng đơn

lẻ

Cách ghép các tứ diện trong cấu trúc của SiO2 được mô tả ở hình 1.3

Hình 1.3 Cấu trúc ghép tứ diện SiO 2

Trong điều kiện áp suất thường, silica tinh thể có 3 dạng thù hình chính (thạch anh, tridimit và cristobalit) Mỗi dạng thù hình lại có 2 đến 3 dạng thứ cấp: α và β Ba dạng thù hình của silica có cách sắp xếp khác nhau tại các nhóm tứ diện SiO4 ở trong tinh thể Ở thạch anh α, góc liên kết Si-O-Si bằng 1500, ở tridimit và cristobalit bằng 1800 Trong thạch anh, nhóm tứ diện SiO4 có nguyên tử Si nằm trên một đường xoắn ốc, tương ứng tại 2 dạng

α và β Để chuyển từ thạch anh sang cristobalit cần chuyển góc Si-O-Si thành 1800, để

chuyển α-tridimit còn phải xoay tứ diện quanh trục đối xứng góc 1800

Hiện nay, vật liệu silica điều chế được gồm 2 loại:

- Loại có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc xốp Vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ và kĩ thuật

- Loại có diện tích bề mặt không lớn, không xốp, tỉ trọng điện tích nhỏ, cần được biến tính bề mặt để tăng khả năng hấp phụ xử lý môi trường

Tại Việt Nam, đã có một vài nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica hấp phụ các ion vô

cơ trong nước và xử lý nguồn nước thải Tác giả Bùi Thị Hà đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica chế tạo từ vỏ trấu để hấp phụ Pb2+ trong môi trường nước đạt dung lượng hấp phụ cực đại đạt 79,38 mg/g [3]

Nghiên cứu sử dụng vật liệu silica chế tạo từ vỏ trấu và được biến tính để hấp phụ

xử lý chất gây ô nhiễm hữu cơ là một hướng mới và đầy triển vọng phát triển

1.5 Ứng dụng của nanosilica

Nanosilica là loại vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng cao do có ưu điểm: tỷ trọng thấp, bền nhiệt, cơ học và trơ hóa học Nhờ các ưu điểm này nên nanosilica được ứng dụng rộng rãi trong y học, kỹ thuật và công nghệ môi trường

1.5.1 Ứng dụng trong y học

Trong số các vật liệu vận chuyển thuốc khác nhau, nanosilica đã được tìm thấy có

ý nghĩa đối với vận tải và phát hành bền vững của thuốc Nhiều hệ thống phân phối thuốc như micelles, liposome và hạt nano polymer đã được thiết kế để giao thuốc đến các cơ quan

cụ thể Tuy nhiên những vật liệu này lại gặp những hạn chế như độ ổn định nhiệt và bị loại

bỏ nhanh chóng bởi hệ thống miễn dịch Ngược lại, nanosilica cung cấp một sự thay thế tương thích sinh học ổn định Các phân tử hoạt tính sinh học có thể dễ dàng gói gọn trong nanosilica Trong số các quy trình tổng hợp khác nhau, phương pháp sol - gel cho phép sản xuất hạt nanosilica với thuốc đồng nhất phân phối và cho phép xử lý nhiệt độ môi trường cần thiết để xử lý sinh phẩm, trong đó kiểm soát kích thước độc lập và tỷ lệ phát hành thuốc

có thể dễ dàng đạt được

Nampi P.P cùng các cộng sự đã nghiên cứu sự kết hợp của kháng sinh gentamicin

với nanosilica tạo một ma trận với nhiều số lượng nanosilica khác nhau, sử dụng phương pháp sol – gel Sự kết hợp của kháng sinh gentamicin vào ma trận silica đã được chứng minh bằng phổ hồng ngoại FT-IR Số lượng thuốc được phát hành cao hơn so với nhiều vật liệu gốm hoạt tính sinh học khác và nồng độ thuốc trên mức nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) luôn được duy trì [36].

1.5.2 Ứng dụng trong kỹ thuật

So với các hạt nano khác, nanosilica có ưu điểm là dễ phân tán hơn trong các polyme Với những tính chất bề mặt đặc trưng hạt nanosilica đã được rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit Các lớp phủ nanocompozit trên cơ sở acrylat/nanosilica cũng được ứng dụng rộng rãi cho các lớp ngoài cùng của vỏ máy, các loại ván trượt Nhờ khả năng chịu mài mòn cao và giữ được nguyên vẹn tính trong suốt và bền với thời tiết của màng Nanosilica biến tính bề mặt được sử dụng trong lớp phủ acrylat nanocompozit đã làm tăng khả năng chống cào xước và chịu mài mòn của lớp phủ Lớp phủ này được sử dụng trên nhiều loại bề mặt như màng polyme, giấy, kim loại, gỗ…M Rostami và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica đã được silan hóa tới tính chất của lớp phủ polyuretan Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phân tán của nanosilica phụ thuộc vào lượng silan gắn trên bề mặt silica và sự có mặt của nhóm chức amin trên hạt silica đã tăng tính chất cơ học của lớp phủ [46]

Với đặc tính có độ cứng cao, bền nhiệt, chống cào xước, phân tán tốt, xốp, dễ hấp phụ nên hạt nano silica được sử dụng để mang các chất ức chế ăn mòn A H Jafari và cộng

sự đã nghiên cứu khả năng bảo vệ đồng của nano silica mang ức chế ăn mòn Các lỗ rỗng nano có thể chứa chất ức chế ăn mòn benzotriazol và ức chế ăn mòn có thể được giải phóng trong dung dịch với sự kiểm soát [26]

Việc sử dụng hạt nanosilica nhằm tăng cường các tính năng cho lớp phủ hữu cơ ngày càng rộng rãi do nano silica không làm ảnh hưởng tới cấu trúc màng Zahra Ranjbar cùng cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại nano silica mang các chất hoạt động

bề mặt khác nhau lên tính chất cơ học của màng phủ cho ô tô Ngoài tính năng chống ăn mòn, lớp sơn ô tô vẫn giữ được được độ bóng và màu sắc sau nhiều năm sử dụng Khi hạt nanosilica được ứng dụng vào màng phủ, các tính chất cơ lý như modun đàn hồi, độ cứng

của màng tăng cao [44,45]

Fatemeh Dolatzadeh và đồng nghiệp cũng nghiên cứu ảnh hưởng của nano silica biến tính đến tính chất của lớp phủ nano SiO2/polyuretan Kết quả cho thấy, các hạt nano SiO2 biến tính với silan hữu cơ có thể được phân tán tốt trong nền polyuretan làm tăng khả năng bảo vệ chống ăn mòn [17]

1.5.3 Ứng dụng trong công nghệ môi trường

Một số nhóm nghiên cứu trong nước và ngoài nước đã sử dụng vật liệu nanosilica

để xử lý các chất gây ô nhiễm môi trường nước

Rahele Rostamian và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp thiol-nanosilica từ nanosilica và 3-mercaptopropyltrimethoxysilane Sau đó sử dụng vật liệu tổng hợp thiol-nanosilica để hấp phụ các kim loại nặng Hg2+, Pb2+ và Cd2+ Bằng các phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ Rơnghen XRD, hấp phụ N2 và phổ hồng ngoại FT-IR

đã được sử dụng để mô tả cấu trúc của hạt nano trước và sau khi thiol hóa Hiệu quả hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của kim loại nặng và thời gian tương tác đã được nghiên cứu Động học hấp phụ theo phương trình giả bậc hai và các đường đẳng nhiệt Sip

và Redlich - Peterson đã được áp dụng cho các dữ liệu cân bằng hấp phụ Các nghiên cứu cho thấy thiol-nanosilica có thể được sử dụng để loại bỏ có chọn lọc các ion trong nước, chọn lọc cao với Hg (II) hơn Pb (II) và Cd (II) [47]

Nhóm nghiên cứu của TS Phạm Tiến Đức cũng đã sử dụng nanosilica biến tính bằng polyelectrolyte polydallyldimethylammonium clorua (PDADMAC) để xử lý kháng sinh amoxicillin (AMX) trong môi trường nước Nanosilica được nghiên cứu bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và kính hiển vi điện

tử quét (SEM) Cơ chế hấp phụ của PDADMAC trên SiO2 được thảo luận trên cơ sở thay đổi điện tích bề mặt, đánh giá bằng thế zeta , thay đổi nhóm chức bề mặt bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Các điều kiện thí nghiệm như thời gian tiếp xúc, pH và dung lượng vật liệu hấp phụ để loại bỏ AMX sử dụng nanosilica biến tính với PDADMAC được tối ưu hóa một cách có hệ thống và được tìm thấy là 180 phút, pH 10 và lượng vật liệu 10 mg/mL Hiệu quả loại bỏ AMX bằng nanosilica biến tính PDADMAC đạt 92,3% trong điều kiện hấp phụ tối ưu [39]

Tuy nhiên, sử dụng axit amin và protein tách chiết từ hạt Chùm ngây để biến tính

bề mặt nanosilica để hấp phụ xử lý kháng sinh và thuốc nhuộm trong môi trường nước thì chưa được nghiên cứu hệ thống và công bố trong nước và quốc tế

Bảng 1.1 Bảng so sánh hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

Lượng chất hấp phụ Hấp phụ đơn lớp hoặc đa lớp Chỉ hấp phụ đa lớp

Nhiệt hấp phụ Lượng nhiệt tỏa ra từ 2-6 kcal/mol Lớn hơn 22 kcal/mol

Tính đặc thù Ít Phụ thuộc vào bản chất hóa học bề mặt Đ Đòi hỏi phải có ái lực

hóa học Tính thuận nghịch Luô Là hấp phụ thuận nghịch, hay trạng

thái cân bằng là cân bằng động

Tính Thuận nghịch của hấp phụ

hóa học phụ thuộc vào đặc tính của liên kết hấp phụ, có thể thuận nghịch,

có thể bất thuận nghịch

1.6.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Ảnh hưởng của pH: pH của dung dịch có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hấp phụ các chất hay hợp chất mang điện, vì pH có ảnh hưởng trực tiếp đến điện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ cũng như trạng thái mang điện của chất bị hấp phụ

Ảnh hưởng của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ: Thông thường các chất phân cực

dễ bị hấp phụ trên bề mặt phân cực, và các chất không phân cực dễ bị hấp phụ trên bề mặt không phân cực Ngoài ra, độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của vật liệu Khi giảm kích thước mao quản trong chất hấp phụ xốp thì khả năng hấp phụ

từ dung dịch thường tăng lên nhưng chỉ khi kích thước mao quản không cản trở sự đi vào của chất hấp phụ Dung lượng hấp phụ cũng phụ thuộc vào diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ Diện tích bề mặt riêng càng lớn thì khả năng tiếp xúc giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ càng lớn, do đó khả năng hấp phụ càng tăng Ngoài ra, đối với hấp phụ các hợp chất mang điện, điện tích tỉ trọng điện tích bề mặt đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ

Ảnh hưởng của dung môi: Hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, khi chất tan hấp phụ càng mạnh thì dung môi hấp phụ càng yếu và ngược lại Vì vậy, đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch thì dung môi nước sẽ tốt hơn dung môi hữu cơ

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, sự hấp phụ trong dung dịch giảm nhưng

ở mức độ thấp hơn so với hấp phụ khí Tuy nhiên, đối với cấu tử có độ tan hạn chế khi

nhiệt độ tăng thì khả năng hấp phụ tăng lên vì nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên 1.6.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Với hệ hấp phụ rắn – lỏng, phương trình đẳng nhiệt hấp phụ là rất quan trọng để mô

tả đặc tính và đề xuất cơ chế của quá trình hấp phụ

1.6.2.1 Mô hình hấp phụ hai bước

Để xây dựng các đường hấp phụ đẳng nhiệt, mô hình hấp phụ phổ biến như Langmuir và Freundlich thường được sử dụng Tuy nhiên, trong một số trường hợp riêng,

mô hình Langmuir và Freundlich không thể áp dụng Khi đó, một mô hình mới được sử dụng thành công đó là mô hình hai bước hấp phụ Trong nghiên cứu này, mô hình hấp phụ hai bước được áp dụng để mô tả đặc tính hấp phụ của protein tách chiết từ hạt Chùm ngây trên bề mặt vật liệu nano silica tổng hợp từ vỏ trấu

Mô hình hấp phụ hai bước giả định rằng sự hấp phụ của chất hấp phụ trên bề mặt vật liệu hấp phụ xảy ra theo hai bước [56] Ở bước đầu tiên, các chất hấp phụ hấp phụ trên

bề mặt rắn bởi lực hút tĩnh điện Trong bước thứ hai, sự hấp phụ tăng lên đáng kể vì do quá trình tạo liên kết bề mặt của các phân tử protein trên bề mặt chất hấp phụ [53]

Phương trình cơ bản của mô hình hấp phụ hai bước có dạng [53]:

𝛤 = 𝛤∞𝑘1𝐶𝑒 (

1

𝑛+ 𝑘2𝐶𝑒𝑛−1)

1 + 𝑘1𝐶𝑒(1 + 𝑘2𝐶𝑒𝑛−1) (1.1) Trong đó:

Γ: Dung lượng hấp phụ (mg/g)

Γ∞ : Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

k1 (g/mg), k2 (g/mg)n-1 là hằng số cân bằng của bước hấp phụ đơn lớp đầu tiên và hấp phụ của n phân tử chất bị hấp phụ hoặc hấp phụ đa lớp

C : Nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mol/L)

1.6.2.2 Mô hình hấp phụ Langmuir

Mô hình hấp phụ Langmuir được đề xuất ban đầu để mô tả sự hấp phụ của các phân

tử khí lên bề mặt kim loại Phương pháp hấp phụ Langmuir sau đó đã được ứng dụng thành công cho nhiều quá trình hấp phụ đơn lớp khác nhau Mô hình hấp phụ của Langmuir giả thiết rằng các lực tương tác giữa các phân tử giảm nhanh với khoảng cách và do đó dự đoán

sự tồn tại của lớp phủ đơn lớp của chất hấp phụ ở bề mặt ngoài của chất hấp phụ Phương trình đẳng nhiệt tiếp tục giả thiết rằng sự hấp phụ diễn ra tại các vị trí đồng nhất cụ thể bên trong chất hấp phụ

qe : Độ hấp phụ riêng, hay số mg chất bị hấp phụ trên 1 gam chất hấp phụ ở thời điểm cân bằng (mg/g)

qmax : Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

Ce : Nồng độ chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)

𝑄𝑒 = 𝐾𝑓 𝐶𝑒1/𝑛 (1.3)

Logarit hai vế của phương trình trên ta được phương trình bậc nhất có dạng y = ax +b:

𝑙𝑜𝑔𝑞𝑒 = 𝑙𝑜𝑔𝑘𝑓+ 1

𝑛𝑙𝑜𝑔𝐶𝑒 (1.4) Trong đó:

qe : là độ hấp phụ riêng, số mg chất bị hấp phụ trên 1 gam chất hấp phụ (mg/g)

Kf (mg1-nLn/g), n : hệ số thực nghiệm với n > 1

1.6.3 Động học hấp phụ

Tốc độ hấp phụ là một trong những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ [52] Đối với hệ hấp phụ lỏng- rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt các giai đoạn liền kề nhau Các giai đoạn bao gồm:

- Giai đoạn khuếch tán trong dung dịch: Chất bị hấp phụ di chuyển tới bề mặt chất hấp phụ

- Giai đoạn khuếch tán trong lỗ xốp (đối với vật liệu xốp): Phân tử chất bị hấp phụ chuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các lỗ xốp

- Giai đoạn hấp phụ: Các phân tử chất bị hấp phụ chiếm chỗ các trung tâm hấp phụ

Tốc độ của một quá trình hấp phụ được xác định bởi sự thay đổi nồng độ của chất

bị hấp phụ theo thời gian Trong luận văn này mô hình động học giả bậc 1 và giả bậc 2 được sử dụng để nghiên cứu đặc tính của quá trình hấp phụ amino axit L-Tryptophan (L-Trp) và protein hạt Chùm ngây trên vật liệu nanosilica được chế tạo từ vỏ trấu

Một dạng khác của phương trình tuyến tính [38]:

𝑙𝑜𝑔 𝑙𝑜𝑔 (𝑞𝑒 − 𝑞𝑡) =𝑙𝑜𝑔 𝑙𝑜𝑔 𝑞𝑒 − 𝑘1

2.303Trong đó:

qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

qt: dung lượng hấp phụ tại thời gian đo t (phút)

k1 là hằng số tốc độ của mô hình giả bậc 1 (phút-1)

qe: dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

qt: dung lượng hấp phụ tại thời gian đo t (phút)

k2 là hằng số tốc độ của mô hình giả bậc 2 (g/mg.phút)

t là thời gian hấp phụ (phút)

(1.7)

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu hướng đến là đặc tính của L-Trp và protein tách chiết từ hạt Chùm ngây bị hấp phụ trên vật liệu nanosilica được chế tạo từ vỏ trấu

2.2 Mục tiêu nghiên cứu

a, Mục tiêu tổng quát

Mục tiêu trong nghiên cứu là chế tạo vật liệu nanosilica từ vỏ trấu và tách chiết protein từ hạt Chùm ngây Sau đó sử dụng các phương pháp phân tích quang phổ đánh giá đặc tính, cơ chế hấp phụ của protein và L-Trp trên vật liệu nanosilica

b, Mục tiêu cụ thể

● Quy trình chế tạo vật liệu nanosilica từ vỏ trấu Đặc tính cấu trúc và bề mặt của nanosilica bằng các phương pháp vật lý và hóa lý hiện đại bao gồm nhiễu xạ Rơnghen (XRD), phổ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và xác định diện tích bề mặt BET

● Quy trình tách chiết protein từ hạt Chùm ngây Định tính protein tách được bằng phản ứng biure và phổ hồng ngoại (FT-IR), sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

● Các điều kiện hấp phụ tối ưu L-Trp và protein trên vật liệu nanosilica:

+ Thời gian cân bằng hấp phụ

+ pH của dung dịch + Lượng vật liệu hấp phụ

+ Ảnh hưởng của nồng độ muối KCl

● Mô hình hóa hấp phụ đẳng nhiệt và hấp phụ động học hấp phụ L-Trp và protein trên vật liệu nanosilica

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis

Ở điều kiện bình thường, các phân tử, nhóm phân tử của các chất bền vững và nghèo

năng lượng gọi là trạng thái cơ bản Khi chiếu một chùm sáng với năng lượng thích hợp chiếu vào các phân tử thì các điện tử hóa trị trong các liên kết sẽ hấp thụ năng lượng chùm sáng chuyển lên trạng thái kích thích với năng lượng cao hơn Sự hấp thụ ánh sáng này là nguồn gốc sinh ra phổ hấp thụ của phân tử chất [4]

Trong nghiên cứu này, phương pháp UV-Vis sử dụng đường chuẩn để định lượng nhanh nồng độ axit amin L-Trp và protein trong các dung dịch mẫu

Hiệu suất hấp phụ của axit amin L-Trp và protein (H %) được tính theo công thức:

Trong đó: Ci và Ce tương ứng là nồng độ L-Trp và protein (g/L) ở thời điểm ban đầu

và sau khi hấp phụ t phút Nồng độ L-Trp và protein trong các dung dịch mẫu được định lượng bằng phổ UV-Vis sử dụng phương pháp đường chuẩn

Dung lượng hấp phụ của axit amin L-Trp và protein (Γ mg/g) được tính theo công thức:

Trong đó: Ci và Ce tương ứng là nồng độ L-Trp và protein (g/L) ở thời điểm ban đầu

và sau khi hấp phụ t phút; m (g/L) là khối lượng vật liệu hấp phụ

Sau khi dựng đường chuẩn với một dãy dung dịch có nồng độ (C) chính xác và điều kiện nhất định Đo độ hấp thụ quang Abs của mẫu phân tích và mẫu chuẩn tại các điều kiện tìm được Từ độ hấp thụ quang Abs của các mẫu dung dịch chuẩn và theo nồng độ protein

và L-Trp thu được đồ thị Abs-C Sau đó đem giá trị Abs của mẫu phân tích sử dụng đường chuẩn tại các điều kiện thực nghiệm khác nhau để tìm ra giá trị nồng độ C tương ứng của mẫu phân tích Thực nghiệm được đo trên thiết bị quang phổ hấp thụ UV-Vis (UV-1650PC, Shimadzu, Nhật Bản) tại bộ môn Hóa phân tích, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học

Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR

Phổ hồng ngoại là một trong những phương pháp thường dùng để phân tích cấu trúc

(2.1)

(2.2)

của chất, cũng như đặc tính bề mặt của vật liệu Phổ hồng ngoại đặc biệt hữu ích khi nhận biết các nhóm chức bề mặt của vật liệu Nghiên cứu phổ hồng ngoại phân tích cấu trúc vật liệu thường chú ý đến dao động hóa trị và dao động biến dạng [48]

Dựa vào tần số đặc trưng hay số sóng của các liên kết thu được trên phổ hồng ngoại

có thể xác định được nhóm chức và cấu trúc vật liệu

Protein tách chiết từ hạt Chùm ngây và vật liệu nanosilica sau khi tổng hợp và sau khi biến tính được đo phổ hồng ngoại trên thiết bị đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FT-

IR (Affinity-IS, Shimadzu, Nhật Bản) tại bộ môn Hóa học vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội

Điều kiện đo:

- Chế độ đo: % truyền qua

- Khoảng bước sóng: 400 cm-1 – 4000 cm-1

- Độ phân giải: 4 cm-1

2.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM

Hiển vi điện tử là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để khảo sát những vật thể rất nhỏ Kết quả thu được qua khảo sát này phản ánh về mặt hình thái học, diện mạo học và tinh thể học của vật liệu mà cần xác định [23] Phương diện hình thái học bao gồm hình dạng và kích thước của hạt cấu trúc nên vật liệu Diện mạo là các đặc trưng bề mặt của một vật liệu bao gồm kết cấu bề mặt và kích thước chính xác của vật liệu Phương diện tinh thể học mô tả cách sắp xếp của các nguyên tử trong vật thể như thế nào Cách sắp xếp của các nguyên tử một cách có trật tự sẽ ảnh hưởng đến các tính chất như độ dẫn, tính chất điện và độ bền của vật liệu

Một lượng nhỏ (khoảng 5μL) của các mẫu vật liệu được phân tán trong dung dịch được mang lên màng colodion hoặc cell đo bằng màng kim loại ngay sau khi bị phân tán bởi sóng siêu âm ít nhất 20 phút Màng đã được sấy khô ít nhất một đêm Sau đó, ảnh TEM được chụp với các độ phân giải khác nhau để xác định đặc tính kích phân bố thước hạt của vật liệu

Vật liệu nanosilica sau khi tổng hợp được xác định hình thái và kích thước hạt bằng

chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử truyền qua TEM Hitachi H-7650, Nhật Bản tại Đại học Tsukuba, Nhật Bản

2.3.4 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen XRD

Phương pháp XRD được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu Phương pháp có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể với độ tin cậy cao Nguyên

lý của phương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ Mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron (Å ) xấp xỉ với bước sóng của tia Rơnghen

Giao thoa là hiện tượng tăng cường biên độ giao động ở những điểm này trong không gian và làm giảm cường độ giao động ở những điểm khác trong không gian do sự chồng chất của hai hay nhiều sóng kết hợp cùng lan truyền đến điểm đó

Xét hai mặt phẳng song song có khoảng cách d, chiếu chùm tia Rơnghen tạo với mặt phẳng trên một góc θ Để các tia phản xạ có thể giao thoa thì hiệu quang trình phải bằng một số nguyên lần bước sóng λ Khoảng cách giữa các mặt mạng là d, điều kiện để vân giao thoa có biên độ lớn nhất là 2dsinθ = nλ [41] Đây chính là phương trình Bragg

Để xác định sự có mặt hay không của chất cần xác định ta cần so sánh giá trị d và tỷ lệ cường độ phổ ghi được với phổ chuẩn Để tăng độ chính xác, một lượng nhỏ chất chuẩn thường được trộn vào sau đó đưa vạch chuẩn tới đúng vị trí của nó Từ phổ nhiễu xạ tia X,

có thể thu được các thông tin cơ bản về cấu trúc vật liệu như: cấu trúc tinh thể, kích thước tinh thể, có hay không pha vô định hình, tính đối xứng

Vật liệu nanosilica SiO2 sau khi tổng hợp từ vỏ trấu được xác định cấu trúc bằng đo phổ XRD trên thiết bị nhiễu xạ Rơnghen XRD, D8 Advance, Bruker, Đức tại bộ môn Hóa học vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội

2.3.5 Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng BET

Phương pháp này dựa trên việc xác định lượng khí cần thiết để phủ lên bề mặt vật liệu của các lớp đơn phân tử (hấp phụ đa lớp) Lượng khí được xác định từ đường hấp phụ đẳng nhiệt của nitơ lỏng (77,4 K) theo lý thuyết của Brunauer-Emmett-Teller (BET) Từ

đó N2 bị hấp phụ bằng hấp phụ vật lý trên bề mặt chất hấp phụ rắn Lượng N2 hấp phụ ở

một áp suất cho trước được xác định bằng phép đo thể tích hoặc khối lượng Từ đường cong hấp phụ (và giải hấp) N2 có thể tính toán được diện tích bề mặt vật liệu theo mô hình BET [11]

Dựa vào các giả thuyết, BET đã thiết lập phương trình mô tả sự hấp phụ đa lớp phân

tử tương tự như cách thiết lập phương trình Langmuir nhưng có tính đến sự cân bằng hấp phụ giữa các lớp phân tử bị hấp phụ

𝑎 = 𝑐 𝑎∞. 𝑃/𝑃𝑠(1 −𝑃𝑃

𝑠) [1 + (𝑐 − 1).𝑃𝑃

𝑠]Trong đó: a và a∞ lần lượt là lượng chất bị hấp phụ và lượng bị hấp phụ cực đại

P là áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ

Ps là áp suất riêng phần của chất hấp phụ

c là hằng số nhiệt

Vật liệu nanosilicatổng hợp từ vỏ trấu được xác định diện tích bề mặt bằng phương pháp BET tiêu chuẩn, đánh giá từ đường đẳng nhiệt hấp phụ N2 trên thiết bị đo kích thước lỗ và diện tích bề mặt, SA 3100, Beckman Coulter, Mỹ tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội

2.3.6 Phương pháp tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu

Nanosilica được chế tạo từ vỏ trấu khô Vỏ trấu sấy khô được nghiền thành bột mịn Cân khoảng 80 g vỏ trấu trong cốc thuỷ tinh dung tích 1 lit có chứa 386 g nước cất hai lần

và 14 g axit sunfuric đặc (H2SO4 98%), khuấy trong 5 giờ ở 1500C trên máy khuấy tử gia nhiệt Sau khi xử lý bằng axit, rửa nhiều lần bằng nước cất đến pH= 5-6 Tiếp đó sấy khô mẫu ở 1000C trước khi chuyển ra chén nung ở 8000C trong 24 giờ Mẫu được để nguội về nhiệt độ phòng sẽ được rửa lần 2 lần bằng axit H2SO4 loãng 5% Sau mỗi lần rửa vật liệu được rửa kĩ bằng nước cất và nung lại ở ở 8000C trong 15 giờ để hoạt hóa bề mặt vật liệu Cuối cùng mẫu được để nguội trong bình hút ẩm desicator trước khi bảo quản trong lọ PE sạch [39]

Đặc tính của vật liệu nanosilica điều chế thành công từ vỏ trấu (Hình 2.1) được

(2.3)

nghiên cứu bằng các phương pháp XRD, FT-IR và TEM, BET

Hình 2.1 Vỏ trấu (Ảnh trái); Vỏ trấu nghiền dạng bột (Ảnh giữa); Nanosilica tổng

2.3.7.2 Tạo protein dạng bột

Đặc tính cấu trúc của protein được đảm bảo nhờ khả năng liên kết nước của chúng Nếu dung dịch protein bị khô ở nhiệt độ trong phòng thì đa số protein bị biến tính Protein chỉ có thể được giữ ở dạng khô trong trường hợp nếu việc làm khô được tiến hành rất nhanh hoặc ở nhiệt độ rất thấp (đông khô) Kết tủa thu được bằng cách đó đem xử lý bằng aceton

và sau đó làm khô thật nhanh thì protein sẽ không bị biến tính Ở dạng khô, bột protein có thể bảo quản trong một thời gian lâu, khi hòa tan nó trong nước nó thể hiện những tính chất

ban đầu của mình

Do đó, sau khi ly tâm thu được kết tủa protein (mục 2.3.7.1) thêm vào một ít aceton

và sấy thật nhanh ta sẽ thu được protein dạng bột không bị biến tính Bột protein được bảo quản trong ống tối màu trong tủ lạnh

Hình 2.2 Hạt Chùm ngây nghiền (A), Bột protein tách chiết từ hạt Chùm ngây (B)

2.4 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị

2.4.1 Hóa chất

- Axit amin L-Trp 99% được mua từ công ty hóa chất công nghiệp Tokyo Chemical Industry, Nhật Bản

- Hạt Chùm ngây được mua ở Hà Nội

- Axit HCl 37 % và axit H2SO4 98%, p.A – Scharlau, Tây Ban Nha

- Các hóa chất khác như: KOH, KCl, ete dầu hỏa, (NH4)2SO4 đều là loại tinh khiết phân tích của Merck

- Các hóa chất khác có độ tinh khiết p.A của Merck hoặc tương đương

2.4.2 Thiết bị

- Thiết bị quang phổ hấp thụ UV-Vis (UV-1650PC, Shimadzu, Nhật Bản)

- 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 truyền qua TEM (Hitachi High-Technologies Corporation, H7650, Nhật Bản)

- Thiết bị đo điện tích bề mặt theo phương pháp BET (SA 3100, Beckman Coulter)

- Máy rung siêu âm, có gia nhiệt của hãng BRANSONIC 521

- Máy lắc Orbital DIGISYSTEM, OS3-18040010 (Đài Loan)

- Máy đo pH của hãng HANNA với điện cực thủy tinh và các dung dịch đệm pH để chuẩn lại điện cực trước khi đo

- Thiết bị lọc nước deion Labconco (Mỹ)

- Cân phân tích của hãng Scientech (Mỹ), độ chính xác 0.1 mg

- Tủ lạnh Sanaky VH-2899W dùng bảo quản mẫu

- Máy ly tâm để bàn DIGISYSTEM (Đài Loan) tốc độ 6000 rpm

- Máy ly tâm lạnh MR23i (JOUAN, Pháp) tốc độ 18.000 rpm

- Dung dịch protein 1000 ppm : Cân chính xác 0,1000 g bột protein, hòa tan bằng nước cất 2 lần trong bình định mức 100 ml

- Dung dịch KCl 1M : Cân 7,4560 g KCl, hòa tan trong nước cất hai lần, hòa tan bằng nước cất hai lần, định mức 100 ml

- Dung dịch KOH 0,1M: Cân 0,2800 g KOH, hòa tan trong bình định mức nhựa 50

ml nước cất hai lần

- Dung dịch HCl 0,1M: Hút 0,42 ml dung dịch HCl 37% pha loãng trong bình định mức 50 ml

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Đặc trưng của vật liệu nanosilica được tổng hợp từ vỏ trấu

3.1.1 Phổ hồng ngoại (FT-IR)

Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại FT-IR được sử dụng để chứng minh sự có mặt của các nhóm chức trong cấu trúc vật liệu nanosilica Phổ hồng ngoại của mẫu được ghi bằng các kỹ thuật đo truyền qua, mẫu vật liệu được ép viên với tinh thể KBr

Tiến hành chụp phổ hồng ngoại mẫu vật liệu trong vùng phổ 400-4000 cm-1 ở điều kiện nhiệt độ phòng có điều hòa nhiệt độ

Phổ hồng ngoại của nanosilica chế tạo từ vỏ trấu được biểu thị tại hình 3.1

Phổ hồng ngoại FT-IR có sự xuất hiện các pic tại 1035,77 cm-1; 812,03 cm-1; 470,63

cm-1 đặc trưng cho các dao động hóa trị bất đối xứng, dao động hóa trị đối xứng và dao động biến dạng của liên kết Si-O-Si trong phân tử SiO2 [25] Sự xuất hiện pic chân rộng tại 3466,08 cm-1 và pic nhỏ tại 1633,71 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm –OH Không

có đỉnh nào tìm thấy ở giữa số sóng 2500 và 3000 cm-1, chứng tỏ là không có hợp chất gốc hữu cơ tồn tại trong bột silica Kết quả phổ FT-IR cho thấy sự xuất hiện các liên kết Si-O-

Si của vật liệu silica [25, 40]

Hình 3.1 Phổ hồng ngoại FT-IR của nanosilica tổng hợp từ vỏ trấu

3.1.2 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen (XRD)

Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen (XRD) của vật liệu silica tổng hợp từ vỏ trấu được biểu thị ở hình 3.2

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ XRD của vật liệu nanosilica tổng hợp từ vỏ trấu

Giản đồ XRD của vật liệu silica tổng hợp từ vỏ trấu có sự xuất hiện góc rộng ở 2θ

= 200- 240 cho thấy silica ở dạng vô định hình Kết quả này hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu đã công bố về cấu trúc của silica tổng hợp từ vỏ trấu [27]

3.1.3 Ảnh TEM

Ảnh TEM của vật liệu silica chế tạo từ vỏ trấu được chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, năng lượng kích hoạt là 80kV, hệ số tỉ lệ 200.000, thời gian đo là 1s, và mẫu được đo ở nhiệt độ phòng có điều hòa nhiệt độ Ảnh TEM của vật liệu silica được thể hiện

ở hình 3.3