ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NGUYỄN VĂN TỊNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUANG HÓA PHÂN HỦY KHÁNG SINH TETRACYCLINE SỬ DỤNG XÚC TÁC NANO TITAN OXIT BẰNG PHƯƠ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN VĂN TỊNH
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUANG HÓA PHÂN HỦY KHÁNG SINH TETRACYCLINE SỬ DỤNG XÚC TÁC NANO TITAN OXIT BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC
Hà Nội - 2016
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
NGUYỄN VĂN TỊNH
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUANG HÓA PHÂN HỦY KHÁNG SINH TETRACYCLINE SỬ DỤNG XÚC TÁC NANO TITAN OXIT BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số:60440188
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Ri
Hà Nội - 2016
Trang 32
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 8
Chương 1 - TỔNG QUAN 10
1.1 Tổng quan về kháng sinh tetracycline 10
1.2 Tính chất dược động học và cơ chế tác dụng 10
1.3 Tính chất hóa học 11
1.4 Các phương pháp phân tích kháng sinh tetracycline 12
Phương pháp ELISA (Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay) 12
1.4.2 Phương pháp sắc ký lớp mỏng (Thin Layer Chromatography – TLC 13 1.4.3 Phương pháp điện di mao quản (Capillary Electrophoresis - CE) 13
1.4.4 Phương pháp sắc ký lỏng hai lần khối phổ (LC/MS) 14
Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid Chromatography - HPLC) 16
1.5 Các phương pháp loại bỏ kháng sinh trong nước và nước thải 18
1.5.1 Phương pháp hấp phụ 18
Phương pháp sinh học 18
Phương pháp màng lọc 19
Phương pháp phân hủy hóa học dựa vào các quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) 20 1.5.4.1 Quá trình oxy hóa bằng Ozon 21
1.5.4.2 Quy trình oxy hóa Fenton 22
1.5.4.3 Quá trình quang hóa xúc tác nano TiO2 23
Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined. 2.1 Các phương pháp tổng hợp hạt nano TiO2 24
24
Trang 43
Phương pháp điện hóa 24
Phương pháp thủy nhiệt 24
Phương pháp nhiệt dung môi 25
Phương pháp bay hơi lắng đọng hơi hóa học (CVD) 25
Phương pháp vi sóng 25
Phương pháp sol-gel 26
2.2 Thực nghiệm 36
Mục tiêu của nghiên cứu 36
2Hóa chất, thiết bị và dụng cụ 36
2.3 Quy trình tổng hợp hạt nano TiO2 bằng phương pháp sol-gel 37
2.4 Quy trình quang hóa 39
Chương 3 - Kết quả và thảo luận 39
3.1 Xác định tetracycline bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng caoError! Bookmark not defined. 3.1.1 Độ tuyến tính của đường chuẩn Error! Bookmark not defined. 3.1.2 Độ chính xác của phương pháp Error! Bookmark not defined. 3.1.3 Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của phương phápError! Bookmark not defined. 3.2 Các đặc tính của hạt nano TiO2 Error! Bookmark not defined. 3.2.1 Nghiên cứu cấu trúc hạt nano TiO 2 sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X 39
3.2.2 Kết quả đo SEM 40
3.2.3 Kết quả đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 41
3.3 Nghiên cứu phân hủy mẫu kháng sinh 42
3.3.1 Cơ chế của phản ứng quang xúc tác với TiO2 kích thước nano
mét Error! Bookmark not defined
3.3.2 Ảnh hưởng của các điều kiện quang hóa đến sự phân hủy của
Trang 54
kháng sinh Tetracycline 43
3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian 45
3.3.4 Ảnh hưởng của pH đến quá trình quang hóa của TC 46
3.3.5 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu tetracycline đến quá trình quang hóa 48
3.3.6 Ảnh hưởng của nồng độ TiO2 đến quá trình quang hóa phân
KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
Trang 6HPLC: Sắc kí lỏng hiệu năng cao
ISO: Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
LC – MS: Sắc kí lỏng khối phổ
LOD: Giới hạn phát hiện
LOQ: Giới hạn định lượng
MeOH: Methanol
MRL: Mức dư lượng tối đa cho phép
R%: Hiệu suất thu hồi
RSD%: Độ lệch chuẩn tương đối
SPE: Chiết pha rắn
Spic: Diện tích pic
TLC: Sắc kí bản mỏng
CE: Điện di mao quản
Trang 76
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Độ chính xác của đường chuẩn xác định tetracycline
Bảng 2 Độ lặp lại và độ thu hồi của phương pháp trên nền mẫu nước Bảng 3 Xác định các giá trị giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương phápphân tích tetracycline
Bảng 4 Phần trăm Tetracycline còn lại trong các điều kiện quang hóa khác nhau,
Bảng 5 Sự biến đổi nồng độ theo thời gian tại pH=9
Bảng 6 Phần trăm của tetracyclien còn lại ở các giá trị pH khác nhau, Bảng 7 Hiệu suất phân hủy kháng sinh khi thay đổi nồng độ
Bảng 8 Ảnh hưởng của nồng độ TiO2 đến quá trình quang hóa
Bảng 9 Hiệu suất phân hủy tetracycline khi thêm H2O2 ở nồng độ khác nhau
Bảng 10: Ảnh hưởng của các thông số khác nhau đến hằng số tốc độ phản ứng
Trang 87
DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Công thức hóa học của Tetracycline
Hình 2 Quy trình tổng hợp nao TiO2 bằng phương pháp sol-gel
Hình 3 Sơ đồ và cấu tạo của bình phản ứng quang hóa
Hình 4 Sắc ký đồ của Tetracycline tại bước song 360nm
Hình 5 Đường chuẩn Tetracycline
Hình 6 Đường chuẩn tetracycline trên nền mẫu trắng
Hình 7: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2
Hình 8 Kết quả đo phổ XRD của hạt nano TiO2
Hình 9 Ảnh SEM của mẫu TiO2 ở độ phân giải 300nm (trái) và 500nm (phải)
Hình 10 Ảnh TEM của mẫu TiO2
Hình 11: Cơ chế của phản ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 khi được chiếu sáng
Hình 12 Ảnh hưởng của các điều kiện quang hóa đến sự phân hủy của kháng sinh Tetracycline
Hình 13 Sự hình thành 4a, dedimethylaminotetracycline của Tetracycline trong quá trình quang hóa
12a-anhydro-4-oxo-4-Hình 14 (a)Sự giảm độ hấp thụ theo thời gian của Tetracycline, (b)Hiệu quả phân hủy trong khoảng thời gian 90 phút
Hình 15 Sắc ký đồ của Tetracycline trước khi chiếu xạ và sau khi chiếu
xạ
Hình 16 Ảnh hưởng của pH đến TC
Hình 17 Hiệu suất phân hủy kháng sinh
Hình 18 Hiệu quả phân hủy tetracycline
Hình 19 Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến khả năng phân hủy Tetracycline
Trang 98
MỞ ĐẦU Việc phát minh ra kháng sinh và các đặc tính của chúng đã tạo ra một cuộc cách mạng trong y học và cứu loài người thoát khỏi nhiều thảm dịch do vi trùng gây ra Tuy nhiên hiện nay việc lạm dụng sử dụng kháng sinh trong đời sống cũng như trong chăn nuôi đang trở nên mức báo động đỏ Kháng sinh không chỉ gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người mà còn ảnh hưởng đến môi trường xung quanh
Tetracycline là kháng sinh có phổ kháng khuẩn rộng được sử dụng phổ biến cho cả con người và thú y Sau khi uống thuốc, hơn 70% kháng sinh Tetracyline được thải ra môi trường
Nước thải từ các bệnh viện, khu công nghiệp cũng như từ các bãi chôn lấp chất thải đã được phát hiện chứa lượng kháng sinh với nồng độ cao Nếu các hoạt động này không được xử lý triệt để khi thải ra môi trường sẽ làm mất cân bằng hệ sinh thái trong nguồn nước, không những ảnh hưởng trực tiếp đến nước ao, hồ, sông mà ngấm xuống đất, tích lũy tôn đọng trong nguồn nước ngầm và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, tạo nên nguy
cơ ô nhiễm, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng
Gần đây, bột TiO2 tinh thể kích thước nm ở các dạng thù hình rutile, anatase, hoặc hỗn hợp rutile và anatase, và brookite đã được nghiên cứu ứng dụng vào các lĩnh vực pin mặt trời, quang phân hủy nước và làm vật liệu quang xúc tác tổng hợp các hợp chất hữu cơ, xử lý môi trường, chế sơn tự làm sạch, chế tạo thiết bị điện tử, đầu cảm biến và trong lĩnh vực diệt khuẩn [48,49] Với hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền và không độc, vật liệu TiO2 được cho
là vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng và thách thức từ sự ô nhiễm
Nghiên cứu phân hủy kháng sinh sử dụng xúc tác nano TiO2 để phân hủy kháng sinh tetracycline để bảo vệ môi trường cũng như bảo vệ sức khỏe con
Trang 109
người là điều vô cùng cần thiết Vì vậy đề tài này: “Nghiên cứu quá trình quang hóa phân hủy kháng sinh tetracycline sử dụng xúc tác nano Titan oxit bằng phương pháp sắc kỹ lỏng hiệu năng cao” được lựa chọn là hướng
nghiên cứu của học viên:
Trong khuôn khổ của đề tài luận văn này chúng tôi tiến hành nghiên cứu một số nội dung sau:
- Điều chế vật liệu nano TiO2 bằng phương pháp sol-gel Các đặc tính của hạt nano TiO2 được phân tích dựa trên: sự nhiễu xạ tia X, kính hiển vi quét điện tử (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
- Nghiên cứu phân hủy kháng sinh tetracycline qua khảo sát các yếu tố ảnh hưởng:
Ảnh hưởng của các điều kiện quang hóa đến sự phân hủy của kháng sinh Tetracycline
Ảnh hưởng của pH đến quá trình quang hóa của tetracycline
Ảnh hưởng của thời gian phân hủy
Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu tetracycline đến quá trình quang hóa
Ảnh hưởng của nồng độ TiO2 đến quá trình quang hóa phân hủy tetracycline
Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tới quá trình quang hóa tetracycline
- Nghiên cứu phân hủy 3 kháng sinh nhóm tetrayclien là tetracycline, oxytetracycline, chlortetracycline trong cùng một điều kiện
Trang 1110
Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về kháng sinh tetracycline
Thời kỳ vàng son của kháng sinh bắt đầu từ khi sản xuất ra penicilin dùng trong lâm sàng, Khi đó kháng sinh được coi là những chất do vi sinh vật tiết ra (vi khuẩn, vi nấm), có khả năng kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật khác, Về sau với sự phát triển của khoa học, người ta đã có thể tổng hợp, bán tổng hợp các kháng sinh tự nhiên (chloramphenicol); tổng hợp nhân tạo các chất có tính kháng sinh: sulfamid, quinolon hay chiết xuất từ vi sinh vật những chất diệt được tế bào ung thư (actinomycin) Vì thế định nghĩa kháng sinh đã được thay đổi
Kháng sinh hay còn gọi là trụ sinh là những chất có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hay kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn một cách đặc hiệu, Nó có tác dụng lên vi khuẩn ở cáp độ phân tử, thường ở một vị trí quan trọng của vi khuẩn hay một phản ứng trong quá trình phát triển của vi khuẩn
Kháng sinh tetracycline là kháng sinh có phổ tác dụng rộng, chúng có tác dụng với cả vi khuẩn Gr+ và Gr- , ricketsia và một vài virut lớn, Do có phổ kháng khuẩn rộng, nếu tetracycline được dùng bừa bãi, dễ gây kháng thuốc.Vì vậy chỉ nên dùng tetraycline cho các bệnh gây ra do vi khuẩn gây ra trong tế bào vì tetracyline rất dễ thấm vào đại thực bào
1.2 Tính chất dược động học và cơ chế tác dụng
Tetracycline hấp thu qua tiêu hóa từ 60-70% Dễ tạo phức với sắt, calci, magie, casein trong thức ăn và giảm hấp thu Nồng độ tối đa trong máu đạt được từ 2-4 giờ
Phân phối: Gắn vào protein huyết tương 50%, Thấm được vào dịch não tủy, nhau thai, sữa, Đặc biệt là thấm vào được trong tế bào nên có tác dụng tốt trong điều trị các bệnh do brucella Gắn mạnh vào hệ dưới nội mô của gan,
Trang 12Hình 1: Công thức hóa học của Tetracycline
Tetracycline là bột màu vàng, ít tan trong nước, tan trong base hoặc acid,
Trang 1312
ít tan trong ethanol và hầu như không tan trong chloroform và ether Trong điều kiện có tính acid loãng tetracycline dễ mất nước để tạo thành anhydrotetracycline Tetracycline cũng dễ dàng tạo phức với các ion kim loại như Fe3+, Fe2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, Be2+, Al3+, hay phosphate, citrate, salicylate, p-hydroxybenzoates, anion saccharin, caffeine, ure, thiourea, polivinylpyrrolidone, albumin huyết thanh, lipoprotein, globulin và RNA [20]
1.4 Các phương pháp phân tích kháng sinh tetracycline
1.4.1 Phương pháp ELISA (Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay)
ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) còn gọi là phương pháp ELISA là một kỹ thuật sinh hóa để phát hiện kháng thể hay kháng nguyên trong mẫu xét nghiệm Hiện nay ELISA được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như y học, nông nghiệp và đặc biệt là trong các quy trình kiểm tra an toàn chất lượng các sản phẩm sinh học,
Nguyên lý của ELISA chính là dựa vào tính đặc hiệu kháng nguyên - kháng thể và gồm các bước cơ bản như sau:
(1) Kháng nguyên - antigen (KN) chưa biết được gắn trên một bề mặt; (2) Kháng thể - antibody (KT) biết trước được "rửa" qua bề mặt đó, Kháng thể này được gắn kết với enzyme;
(3) Thêm vào một cơ chất (substance); enzyme sẽ biến đổi cơ chất này và tạo tín hiệu có thể xác định được,
Đối với các ELISA phát quang, ánh sáng sẽ được phát ra từ mẫu chứa KN-KT, Sự hiện diện của phức hợp KN-KT sẽ quyết định cường độ sáng phát
ra,
Với nguyên lý trên, ELISA giúp xác định sự có mặt hay không có mặt cũng như lượng KN trong mẫu nghiên cứu
Trang 1413
Để tiến hành ELISA cần phải có ít nhất một KT đặc hiệu cho KN chưa biết, Thông thường KN được cố định tại các giếng của vi phiếm (polystyrene microtiter plate),
Theo [21] sử dụng một kit xét nghiệm (Biopharm AG, Darmstadt, Germany), tiến hành lấy 50µl dung dịch chuẩn hoặc dung dịch mẫu vào các giếng, thêm tiếp 50µl kháng thể kháng tetracycline, Sau đó mỗi giếng sẽ được rửa qua 3 lần bằng dung dịch đệm, thêm 100 µl enzyme liên hợp, 50 µl cơ chất vào từng giếng, Độ hấp thụ sẽ được ghi đo ở 450nm trong khoảng thời gian 30 phút, Phương pháp có giới hạn phát hiện (LOD) = 15ppb (µl/L)
1.4.2 Phương pháp sắc ký lớp mỏng (Thin Layer Chromatography - TLC)
Sắc ký lớp mỏng là một kĩ thuật sắc kí được dùng để tách các chất trong hỗn hợp Phương pháp sắc kí lớp mỏng bao gồm pha tĩnh là một lớp mỏng các chất hấp phụ, thường là silica gel, aluminium oxide, hoặc cellulose được phủ trên một mặt phẳng chất trơ Pha động bao gồm dung dịch cần phân tích được hòa tan trong một dung môi thích hợp và được hút lên bản sắc kí bởi mao dẫn, tách dung dịch thí nghiệm dựa trên tính phân cực của các thành phần trong dung dịch Các mẫu được áp dụng chủ yếu là dược phẩm và một số loại thực phẩm như sữa, mật ong, thịt, cá…
Theo[50] đã sử dụng tấm silica cùng với pha động là dung dịch 1-butanol
và dung dịch EDTA 5% ở pH = 9, phương pháp có khả năng tách tốt, độ chính xác cao Có thể tách và xác định hàm lượng kháng sinh tetracyclien trong sữa Còn theo [51] sử dụng phương pháp TLC để tách và xác định tetracycline trong một hỗn hợp Sử dụng EDTA 0,1M, glycerin, và polyethylene glycol 400, dung môi khai triển là ethy acetat bão hòa với 0,1M EDTA ở pH=7 Quy trình này cũng thành công trong việc tách các kháng sinh thuộc nhóm tetacycline khác
1.4.3 Phương pháp điện di mao quản (Capillary Electrophoresis - CE)
Trang 1514
Đây là phương pháp tách các chất phân tích là các ion hoặc các chất không ion nhưng có mối quan hệ chặt chẽ với các ion trong một ống mao quản hẹp dài từ vài centimet (5cm) đến vài chục centimet (15-30 cm), chứa đầy dung dịch đệm, đặt trong điện trường cao cỡ vài kilovon (Kv) Do độ linh độ điện di của các ion khác nhau, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra khỏi nhau
Một phương pháp rất đơn giản được ứng dụng để phát hiện đồng thời ba kháng sinh nhóm tetraycline là tetraycline (TC), oxytetraycline (OTC), doxycycline (DC) trong mẫu cá bằng phương pháp điện di mao quản với detector UV đã được công bố bởi tác giả Kowalski năm 2008 Trong đó ba kháng sinh TC, OTC, DC lần lượt có giới hạn phát hiện LOD = 1,3-1,8 ng/g và giới hạn định lượng LOQ = 4,3-5,9 ng/g Độ thu hồi lần lượt của TC, OTC, DC
TC, OTC, DC[53]
Phương pháp này với ưu điểm tiết kiệm, lượng hóa chất sử dụng rất ít, có thể phân tích được nhiều nhóm chất khác nhau Tuy nhiên, độ nhạy kém đồng thời tính ổn định không cao, thiết bị không phổ biến cho các phòng thí nghiệm
Do đó, việc tiến hành thực nghiệm yêu cầu kỹ thuật phân tích chuẩn xác trong các điều kiện khắt khe
1.4.4 Phương pháp sắc ký lỏng hai lần khối phổ (LC/MS)
Đây là một phương pháp nhanh, nhạy và được phát triển nhiều hiện nay Sau khi qua cột tách, chất phân tích được hóa hơi, các hợp chất hữu cơ trung
Trang 1615
hòa bị ion hóa thành các ion phân tử hay ion mảnh của phân tử mang điện tích dương hoặc âm, các gốc tự do Sau đó, các ion được đưa sang bộ phận tách theo khối lượng Từ các tín hiệu thu được, dựa vào khối lượng ion phân tử, dựa vào đồng vị, dựa vào các mảnh ion phân tử, dựa vào cơ chế tách và dựa vào ngân hàng dữ liệu các ion mảnh và mảnh ion, người ta định tính và định lượng được chất phân tích một cách chính xác
Năm 2012 tác giả Mei Bie và các cộng sự [18] tiến hành phân tích đồng thời Tetracycline, oxytetracycline, Chlortetracycline, Dexycycline trong mật ong bằng phương pháp LC/MS Mẫu được chiết bằng dung dịch đệm EDTA-McIlvaine, sau đó được đem đi lắc và siêu âm Phương pháp có khoảng tuyến tính từ 1 – 500 µg/L Độ thu hồi của các kháng sinh trong khoảng từ 73.8 - 106.7% với RSD từ 1.19 - 9.8% Giới hạn định lượng là 1µg/kg đối với CTC
và DC; 0,2 µg/kg đối với TC và OTC Giới hạn quyết định CCα từ 0.041 - 0.31µg/kg và năng lực phát hiện CCβ từ 0.064 - 0.43 µg/kg Từ kết quả trên chứng tỏ phương pháp có độ nhạy và độ chính xác cao
Cũng theo tác giả J Zhu và các cộng sự [55] tiến hành phân tích đồng thời
ba kháng sinh nhóm tetracycline là tetracycline (TC), oxytetracycline (OTC), chlortetracycline (CTC) trong nước ngầm bằng phương pháp sắc ký lỏng khối phổ kết hợp sử dụng cột chiết pha rắn C18 Nhóm tác giả cũng thêm dung dịch đệm chứa đệm chứa kali photphat và axit citric để tăng độ thu hồi của tetracycline trong nước Giới hạn phát hiện của ba kháng sinh lần lượt từ 0.21, 0.20, và 0.281µg/l; độ thu hồi của ba kháng sinh trong khoảng từ 86%- 110% Một phương pháp xác định đồng thời ba nhóm kháng sinh sulfonamides, tetracyclines và tiamulin trong nước thải nuôi heo tại Trung Quốc bằng phương pháp sắc ký lỏng khối phổ kết hợp với cột chiết pha rắn đã được nghiên cứu bởi nhóm các tác giả Weiwei Ben và các cộng sự [56] Theo đó để hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, mẫu sau khi lấy sẽ được thêm ngay 1% dung dịch
Trang 1716
methanol Sau đó mẫu được đem đi ly tâm ở tốc độ 7000 vòng/phút trong vòng
15 phút và điều chỉnh độ pH trong khoảng từ 2,5-3 bằng axit H2SO4 và lọc qua giấy lọc 0,45µm Mẫu sau đó được đem chiết trên cột chiết pha rắn Oasis HLB cùng với dung dịch rửa giải là dichloromethane /acetonemixture Các điều kiện tối ưu hệ thống MS như sau: nhiệt độ mao quản 1200C; nhiệt độ hòa tan là
3000C; điện áp 3,5kV; tốc độ dòng 300l/h với chế độ quét và chọn ion (SIR) Kết quả cho thấy phương pháp có độ thu hồi của các kháng sinh từ 70-120% Tuy nhiên phương pháp sắc ký lỏng khối phổ có chi phí lớn và quá trình chiết mẫu phức tạp nên khó áp dụng ở nhiều phòng thí nghiệm
1.4.2 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid
Chromatography - HPLC)
HPLC là một phương pháp chia tách trong đó pha động là chất lỏng và pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn đã được phân chia dưới dạng tiểu phân hoặc một chất lỏng phủ lên một chất mang rắn, hay một chất mang đã được biến bằng liên kết hóa học với các nhóm chức hữu cơ Phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến vì nhiều lý do: có độ nhạy cao, khả năng định lượng tốt, thích hợp tách các hợp chất khó bay hơi hoặc dễ phân hủy nhiệt.Phạm vi ứng dụng của phương pháp HPLC rất rộng, như phân tích các hợp chất thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh, các chất phụ gia thực phẩm trong lĩnh vực thực phẩm, dược phẩm, môi trường…
Phương pháp này cũng rất phù hợp với việc xác định kháng sinh tetracycline trong thực phẩm cũng như trong môi trường Do đó, nó được sử dụng rộng rãi ở nhiều phòng thí nghiệm Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng phương pháp này để xác định tetracycline
Theo [8,9,10] ba kháng sinh nhóm tetracycline gồm tetracycline (TC), oxytetracycline (OTC) và chlortetracycline (CTC) tồn dư trong các sản phẩm thịt được định lượng bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector
Trang 1817
UV từ 350-360nm Mẫu được chiết bằng dung dịch Mcilvaine-EDTA ở pH=4, sau đó dung dịch mẫu được chiết trên cột chiết pha rắn C18 với dung dịch rửa giải là axit oxalic và methanol Sau đó được đem đo trên hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao ở bước sóng từ 350-360nm, cột sắc ký pha đảo C18 Cả ba tiêu chuẩn này đều đã được quốc tế cũng như Việt Nam công nhận để áp dụng phân tích trên các sản phẩm động vật
Theo tác giả Nolwenn prado và cộng sự [57] đã phát triển phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao và kết hợp xử lý mẫu bằng cột chiết pha rắn để xác định hàm lượng tetracycline trong bùn hoạt tính tại các nhà máy xử lý nước thải Tetracycline được chiết từ mẫu bằng hỗn hợp dung dịch đệm Mcilvaine-EDTA, sau đó được làm sạch qua cột chiết pha rắn trao đổi anion (SAX) Phương pháp có độ thu hồi trong khoảng từ 92-103% Giới hạn phát hiện (LOD) là 0,1mg/L và giới hạn định lượng (LOQ) là 0,5mg/L
Tại hội nghị về Môi trường và tài nguyên thiên nhiên hai tác giả Yasodara Liyanagea, Pathmalal M Managea cũng đã đưa ra phương pháp xác định đồng thời hai kháng sinh là Oxytetracycline (OTC) và Amphicillin (AMP) trong nước thải tại Sri Lanka là phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector
UV Mẫu được làm sạch trên cột chiết pha rắn và rửa giải bằng dung dịch methano và isopropanol Độ thu hồi của OTC và APM là 90% và 83% với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 5% OTC đã được phát hiện với nồng độ (664.0 ±0.43 ppb)
và AMP có nồng độ trong nước thải là 139.0±0.19 ppb
Có rất nhiều phương pháp khác nhau để xác định tetracycline Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với detector UV phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm để phân tích hàm lượng tetracycline Đây là phương pháp có tốc độ nhanh, độ chọn lọc và độ nhạy cao, có thể tự động phân tích đồng thời nhiều chất có trong mẫu vì thế nó rất thuận lợi cho việc tách và xác định tetracycline trong việc điều tra và nghiên cứu với số lượng lớn
Trang 1918
Mặt khác, HPLC là phương pháp hiện đại, đang phát triển mạnh và được ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm phân tích của các nước tiên tiến trên thế giới cũng như ở các phòng thí nghiệm ở Việt Nam
1.5 Các phương pháp loại bỏ kháng sinh trong nước và nước thải
1.5.1 Phương pháp hấp phụ
Phương pháp hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha Chất
có bề mặt trên đó xảy ra hấp phụ được gọi là hấp phụ, chất được tích lũy trên
bề mặt gọi là chất bị hấp phụ Diện tích riêng bề mặt càng lớn thì khả năng hấp phụ càng cao Tuy nhiên, diện tích bề mặt riêng mới nói lên tiềm năng hấp phụ,
là điều kiện cần nhưng chưa đủ Để sự hấp phụ xảy ra tốt, đặ biệt là hấp phụ hóa học, còn phải xét đến yếu tố tương tích về kích cỡ chất bị hấp phụ và kích thước mao quản chất hấp phụ (với vật liệu xốp), tương tác, liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Ví dụ các chất hấp phụ có độ xốp lớn, kích cỡ mao quản nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn vẫn hấp phụ không hiệu quả đối với các chất hữu cơ cồng kềnh Chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực, chất không phân cực ưu tiên hấp phụ lên bề mặt không phân cực
Hấp phụ là phương pháp có hiệu quả để loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ như dược phẩm trong nước thải, đặc biệt là với nhiều loại dược phẩm khó phân hủy bằng phương pháp sinh học như các thuốc kháng sinh Năm 2010 hai tác giả Liang Liang Ji, Fengling Liu [59] đã nghiên cứu tổng hợp cacbon lỗ xốp (microporous) và lỗ xốp trung bình (mesoporous) để hấp phụ ba loại thuốc kháng sinh là sunfamethoxazole, tetracycline, tylosin Kết quả cho thấy vật liệu tổng hợp được cho là những chất hấp phụ thuốc kháng sinh rất hiệu quả
1.5.1 Phương pháp sinh học
Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng khả năng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ
Trang 20ô nhiễm được loại bỏ thông qua công trình lắng để tách bùn ra khỏi nước thải
Sự phân hủy cơ chất bởi vi sinh vật sẽ làm giảm nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian đồng thời làm tăng khối lượng tế bào
Tác giả Daouia Belkheiria và cộng sự [60]đã nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của tetracycline trong nước, kết hợp xử lý bằng phương pháp điện hóa Kết quả cho thấy tỉ lệ COD/TOC giảm từ 2,7 xuống 1,9 và trạng thái oxi hóa tăng từ 0,044 – 1,15; BOD5/COD tăng từ 0 – 0,46 Trong 11,5 ngày nuôi cấy nồng độ TOC đã giảm đến 69%
1.5.2 Phương pháp màng lọc
Lọc màng là phương pháp phân ly màng, có rất nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống, như tiêu hao ít năng lượng, thiết bị gọn nhẹ, có thể tiến hành liên tục, có thể tiến hành dưới điều kiện bình thường, dễ dàng kết hợp với các phương pháp phân ly khác, dễ chuyển đổi quy mô, dễ vận hành lắp đặt, chất lượng nước rất tốt, tính ổn định cao
Loại bỏ các loại thuốc kháng sinh bằng phương pháp màng lọc có thể thực hiện thông qua nhiều cơ chế khác nhau Dựa vào đặc tính của các hợp chất như khối lượng phân tử, pKa, tính kỵ nước/háu nước, hay dung dịch có độ
pH, cường độ ion mà lựa chọn các loại màng lọc có bản chất vật liệu khác nhau như trạng thái bề mặt, kích thước lỗ màng lọc hay kỹ thuật lọc Thẩm thấu ngược (RO, kích cỡ khe hở màng lọc <0.001µm) trong nhưng năm gần đây đã chứng minh được khả năng loại bỏ các hợp chất trong dược phẩm như các loại thuốc kháng sinh trong nước thải Nhiều nghiên cứu cho thấy có đến 90% các loại kháng sinh đã được loại bỏ [61,62] Theo nghiên cứu của
Trang 2120
Kosutı'ce và cộng sự (2007) về xử lý nước thải tại nhà máy sản xuất dược phẩm dùng trong thú y cho thấy sulfonamides đã được loại bỏ hiệu quả bằng công nghệ RO (thẩm thấu ngược) và công nghệ nano (kích cỡ khe hở màng lọc: 0,001 µm) Còn theo nghiên cứu của Li và cộng sự [63], oxytetracycline ở nồng độ rất cao (1000mg/L) trong nước thải từ nhà máy sản xuất dược phẩm đã được loại bỏ tới hơn 92% khi sử dụng cộng nghệ lọc RO
Mặc dù có khả năng loại bỏ các loại kháng sinh với hiệu suất cao Tuy nhiên chi phí để lắp đặt những công nghệ này lại khá tốn kém, mặt khác thiết bị
có cấu tạo phức tạp nhưng công suất cấp nước nhỏ và chi phí dùng điện cao
1.5.3 Phương pháp phân hủy hóa học dựa vào các quá trình oxi hóa nâng cao
(AOPs)
Quá trình oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes –AOPs) là phương pháp đặc hiệu để xử lý những thành phần ô nhiễm hữu có mà các phương pháp xử lý sinh học không thể giải quyết nổi Phương pháp này được xem như thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực xử lý nước và nước thải trong gần hai thập kỷ gần đây của thế giới
Bản chất phương pháp là tiến hành phân hủy các thành phần ô nhiễm hữu
cơ bền vững (không thể bị phân hủy sinh học) dựa vào quá trình oxi hóa mạnh hơn bình thường (tức quá trình oxi hóa nâng cao- AOP), để đủ khả năng phá hủy các liên kết hóa học bền vững trong các chất ô nhiễm Quá trình oxi hóa nâng cao dựa vào tác nhân oxi hóa mạnh là gốc tự do Hydroxyl (*OH), đồng thời khi phản ứng với các chất ô nhiễm hữu cơ, chúng xảy ra với tốc độ rất nhanh, hàng nghìn đến hàng tỷ lần so với các tác nhân oxi hóa thông thường Một số nghiên cứu đã đưa ra bằng chứng về việc sử dụng hiệu quả phương pháp AOPs để loại bỏ kháng sinh trong nước và nước thải [64,65] Phương pháp AOPs có sự linh hoạt cao bởi thực tế có nhiều cách khác nhau để tạo thành các gốc hydroxyl *OH, thuận lợi cho việc xử lý đặc hiệu các chất ô
Trang 2221
nhiễm khác nhau
1.5.4.1 Quá trình oxy hóa bằng Ozon
Ozon là một chất oxy hóa có hoạt tính cao và độ hòa tan trong nước lớn gấp 10 lần O2 Nó bền trong môi trường axit hơn so với môi trường bazơ Phương pháp này thường được sử dụng để xử lý nước thải có chứa chất hữu cơ
ở dạng hòa tan và dạng keo nhờ khả năng oxy hóa rất cao, dễ dàng nhường oxy nguyên tử hoạt tính cho các chất hữu cơ Ozon còn sử dụng để làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, hydrosunfua, các hợp chất asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, phẩm nhuộm, tiêu diệt các vi khuẩn Độ hòa tan của ozon trong nước phụ thuộc vào độ pH và hàm lượng chất tan trong nước thải Với môi trường axit có muối trung tính sẽ làm tăng độ hòa tan của ozon, ngược lại, trong môi trường kiềm sẽ làm giảm độ hòa tan của ozon
Ozon tác dụng với các hợp chất hữu cơ tan trong nước chủ yếu theo hai cơ chế sau:
Cơ chế 1: Ozon phản ứng trực tiếp với chất hữu cơ Ozon khi hòa tan vào nước sẽ tác dụng với các hợp chất hữu cơ, tạo thành dạng oxy hóa của chúng Nhưng phản ứng trực tiếp của ozon với các hợp chất hữu cơ có tính chọn lọc, tức là ozon chỉ phản ứng với một số loại hợp chất hữu cơ nhất định Sản phẩm của các quá trình ozon hóa trưc tiếp các chất vòng thơm bằng ozon thường là các axit hữu cơ hoặc các muối của chúng Ngoài ra, nghiên cứu cho thấy cơ chế này xảy ra tương đối chậm và chiếm ưu thế ở khoảng pH thấp
Cơ chế 2: Ozon phản ứng với chất thông qua các gốc tự do Khi sục O3 vào nước, chất oxy hóa thứ cấp là gốc tự do * OH được hình thành và chính sự
có mặt của các gốc tự do này giúp hiệu quả oxy hóa được nâng cao Hoigné và các cộng sự (1977) đã nhận thấy, trong điều kiện axit, con đường oxy hóa trực tiếp bằng phân tử ozon là chủ yếu, trong khi đó, trong điều kiện pH cao, hoặc trong những điều kiện có tác nhân khác như H2O2, UV, chất xúc tác, tạo điều
Trang 2322
kiện thuận lợi cho quá trình tạo gốc * OH, con đường oxy hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl sẽ là chủ yếu và hiệu quả oxy hóa được nâng cao Do đó, thay vì sử dụng ozon một mình, nhiều công trình nghiên cứu đã theo hướng tìm kiếm các tác nhân phối hợp với ozon hoặc chất xúc tác nhằm tạo ra gốc *OH
để nâng cao hiệu quả oxy hóa của ozon khi cần xử lý những hợp chất bền vững, khó phân hủy ở trong nước thải Đó chính là quá trình oxy hóa nâng cao trên cơ
sở của ozon
Theo nghiên cứu của Balcıoglu and Otker chỉ ra rằng có đến 80% kháng sinh β-lactam trong nước thải đã được loại bỏ trong 60 phút khi sử dụng quy trình oxy hóa bằng ozon [66] Michael C.Dodd và cộng sự [67] đã nghiên cứu
sử dụng ozon để loại bỏ 14 kháng sinh từ 9 nhóm khác nhau trong nước thải Kết quả cho thấy các kháng sinh như β-lactams, sulfonamides, macrolides, quinolones, trimethoprim và tetracycline đã được chuyển hóa qua quá trình oxy hóa trực tiếp O3, trong khi penicillin G, cephalexin và N4-acetylsulfamethoxazole lại được oxy hóa ở mức độ lớn hơn bởi các gốc hydroxyl
Tuy nhiên quy trình hoạt động cũng như tối ưu hóa các điều kiện vẫn chưa được xác định đối với nước và nước thải khác nhau cũng như đối với các loại kháng sinh khác nhau
1.5.4.2 Quy trình oxy hóa Fenton
Quá trình này dùng tác nhân là tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ làm tác nhân oxy hóa Quá trình này có ưu điểm ở chỗ các tác nhân H2O2 và muối sắt tương đối rẻ và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dể sử dụng trong khi
đó hiệu quả oxy hóa được nâng cao hơn rất nhiều so với H2O2 sử dụng một mình Nhược điểm của nó là, việc oxy hóa có thể dẫn tới khoáng hóa hoàn toàn các chất hữu cơ thành CO2, nước, các ion vô cơ và do vậy phải sử dụng nhiều hóa chất sau xử lý này làm cho chi phí xử lý cao Do vậy, trong nhiều trường
Trang 2423
hợp chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyên các chất hữu cơ không thể hoặc khó phân hủy sinh học thành các chất mới có khả năng phân hủy sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp sau Quy trình fenton dễ bị ảnh hưởng bởi pH, trong môi trường axit sẽ rất thuận lợi cho quá trình tạo gốc hydroxyl tự do * OH, trong khi ở môi trường
pH cao, quá trình kết tủa Fe3+ xảy ra nhanh hơn, làm giảm nguồn tạo ra Fe2+, trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng Quá trình Fenton đã và đang được ứng dụng rộng rãi và ngày càng phổ biến hơn trên thế giới cũng như ở Việt Nam để xử lý một số loại nước thải chứa các chất khó (ít) phân hủy sinh học ở thể keo và dạng hòa tan mà việc áp dụng các phương pháp truyền thống (cơ học, hóa lý, sinh học) thường kém hiệu quả
1.5.4.3 Quá trình quang hóa xúc tác nano TiO 2
Tinh thể TiO2 có nhiều dạng cấu trúc trong đó có 2 dạng chính thường gặp là dạng rutile và dạng anatase Pha anatase chỉ bắt đầu chuyển sang pha rutile ở nhiệt độ khoảng 9150C nên dạng anatase là phổ bến hơn trong hai dạng cấu trúc Ngoài hai dạng thường gặp trên TiO2 còn có một số dạng cấu trúc khác như brookite, quarzt, feldspars, hematite, chlorite… Trong hai dạng cấu trúc trên thì dạng anatase có hoạt tính xúc tác mạnh hơn khi có ánh sáng mặt trời nguyên nhân là do khác nhau về năng lượng vùng cấm
Trong xúc tác quang, khi chất bán dẫn bị kích thích bởi một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng dẫn thì một cặp electron – lỗ trống được hình thành Thời gian sống của lỗ trống và electron dẫn là rất nhỏ, cỡ nano giây Sau khi hình thành, cặp electron – lỗ trống có thể trải qua một số quá trình như: tái hợp sinh ra nhiệt; lỗ trống và electron di chuyển đến bề mặt và tương tác với các chất cho và chất nhận electron Trong các quá trình trên, các quá trình tái hợp làm cho hiệu suất của quá trình xúc tác quang giảm quá trình cho nhận electron trên bề mặt chất bán dẫn sẽ hiệu quả hơn nếu các tiểu phân vô cơ
Trang 2524
hoặc hữu cơ đã được hấp phụ sẵn trên bề mặt Xác xuất và tốc độ của quá trình oxi hóa và khử của electron và lỗ trống phụ thuộc vào vị trí bờ vùng dẫn, vùng hóa trị và thế oxi hóa khử của tiểu phân hấp phụ
Trong những chất xúc tác quang, TiO2 là một xúc tác lý tưởng vì nó bền
về mặt hóa học và lỗ trống sinh ra trong TiO2 có tính oxi hóa cao Thế oxi hóa của lỗ trống sinh ra trên bề mặt TiO2 là +2,53V so với thế điện cực chuẩn của điện cực hidro, trong dung dịch nước pH=7 Lỗ trống này dễ dàng tác dụng với phân tử nước hoặc anion hydroxyl trên bề mặt của TiO2 tạo thành gốc hydroxyl tự do Thế của cặp OH*/OH- chỉ nhỏ hơn so với thế oxi hóa của lỗ trống một chút nhưng vẫn lớn hơn thế oxi hóa của ozon (O3/O2) Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để kiểm tra tính khả thi của việc kết hợp sử dụng TiO2 với ánh sáng UV, ánh sáng mặt trời… Theo báo cáo của Rizzo và các cộng sự [68] cho thấy Amoxicillin đã được loại bỏ hoàn toàn từ nước thải của nhà máy xử lý nước thành phố khi sử dụng TiO2 với nồng độ 0,8g/L sau 120 phút Hay theo nghiên cứu của Michaell cũng đã loại bỏ ofloxacin trong nước thải bằng cách sử dụng TiO2 nồng độ 3g/L [69]
1.6.1.Phương pháp điện hóa
Phương pháp điện hóa thường được sử dụng để sản xuất một lớp phủ, thường là kim loại, trên một bề mặt qua catod, anod oxy hóa Titan trong những chất điện phân khác nhau Ảnh hưởng của các thông số tổng hợp đã được nghiên cứu rộng rãi [32,33] Trong số các nhóm khác nhau nghiên cứu quá trình oxy hóa anod, Grimes và cộng sự đã quan sát sự hình thành nano Titan trên một lá Titan mỏng sau khi điện phân anod trong dung dịch HF ở các nồng
độ khác nhau [34,35]
1.6.2.Phương pháp thủy nhiệt
Trang 2625
Điều chế hạt nano TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt thường được tiến hành trong một bình phản ứng (nồi hấp) bằng thép, kiểm soát nhiệt độ và áp suất của các phản ứng trong dung dịch Nhiệt độ được đưa lên cao hơn nhiệt độ sôi của nước, tới áp suất hơi bão hòa Đây là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để sản xuất những hạt nhỏ trong nghành sản xuất gốm sứ TiO2 có thể thu được trong phương pháp thủy nhiệt bằng cách kết tủa peptit của Titan với nước Các kết tủa được chuẩn bị bằng cách thêm dung dịch 0.5 M isopropanol vào titanium butoxide trong nước deion ([H2O]/ [Ti]) = 150) và sau đó được peptid trong 1h với sự có mặt của tetraalkylammonium hydroxides [36]
1.6.3.Phương pháp nhiệt dung môi
Phương pháp nhiệt dung môi gần giống với phương pháp thủy nhiệt ngoại trừ dung môi sử dụng ở đây không có nước Tuy nhiên nhiệt độ có thể nâng cao hơn nhiều phương pháp thủy nhiệt do sử dụng các dung môi hữu cơ có nhiệt độ cao hơn nước Phương pháp nhiệt dung môi kiểm soát tốt hơn phương pháp thủy nhiệt về kích thước, hình dạng và độ kết tinh của hạt nano TiO2 [37,38,39]
1.6.4.Phương pháp bay hơi lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Phương pháp bay hơi lắng đọng hóa học (CVD) là tạo ra một lớp màng mỏng nhờ liên kết dưới dạng khuếch tán, là kết quả của phản ứng giữa các pha khí với bề mặt được nung nóng CVD nhiều khi cũng được gọi là phương pháp phủ nóng, bởi các quá trình được thực hiện ở nhiệt độ 19000F Bằng phương pháp này, có thể kiểm soát được kích thước hạt nano, điều này thích hợp cho việc tổng hợp hạt nano với một kích thước duy nhất [40]
1.6.5.Phương pháp vi sóng
Một vật liệu điện môi có thể được xử lý với một nguồn năng lượng dưới dạng sóng cao tần Các sóng có tần số vào khoảng từ 900 – 2520 MHz Ở tần
Trang 2726
số sóng thấp, sự chuyển động của các thành phần ion có thể chuyển năng lượng
từ vi sóng đến vật liệu Ở tần số sóng cao hơn, sự hấp thụ năng lượng chủ yếu
là do các phân tử với một lưỡng cực cố định có định hướng dưới ảnh hưởng của sóng điện trường[41] Bức xạ vi sóng được chuẩn bị để tổng hợp nano TiO2 trong điều kiện thủy nhiệt bắt đầu từ dung dịch TiOCl2 0,5M với một lò vi sóng xử lý nhiệt Tổng hợp vi sóng được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống lò vi sóng để thủy phân Hệ thống vi sóng được đặt với tần số 2,45 GHz, điều khiển nhiệt độ và áp suất (Pmax=14 atm) Sau khi phản ứng tổng hợp kết thúc, độ pH được điều chỉnh trong khoảng 0,9-1,0; rửa nhiều lần bằng nước cất
để loại bỏ ion clorua, sử dụng NaOH 0,1N để trung hòa lượng axit dư Sau đó huyền phù được đem đi ly tâm và sấy khô ở 1100C[42]
1.6.6.Phương pháp sol-gel
Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra các vật liệu có hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp Nó được hình thành trên cơ sở phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các chất gốc (alkoxide precursors)
Công nghệ sol-gel là công nghệ cho phép ta trộn lẫn các chất ở quy mô nguyên tử và hạt keo để tổng hợp các vật liệu có độ sạch và tính đồng nhất cao Quá trình xảy ra trong dung dịch lỏng và các tiền chất như các oxyt hoặc các muối kim loại thông qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ, sẽ dẫn đến việc hình thành một pha mới – đó là sol Gel là hệ phân tán dị thể, các hạt pha rắn tạo thành khung 3 chiều, pha lỏng nằm ở khoảng trống của khung 3 chiều nói trên
Bằng phương pháp sol-gel, không những tổng hợp được các oxyt siêu mịn (nhỏ hơn 10µm), có tính đồng nhất cao, bề mặt riêng lớn, độ tinh khiết hóa học cao mà còn có thể tổng hợp được các tinh thể cỡ nanomet, các sản phẩm dạng màng mỏng, sợi
Trang 2827
Gần đây kỹ thuật sol-gel đang trở thành một kỹ thuật độc đáo để tổng hợp các hạt nano Titan oxyt Chứng minh rằng các tính chất vật lý, hóa học, điện hóa của TiO2 đã được thay đổi để nâng cao hiệu quả Các hạt pha rắn được tạo thành khung 3 chiều và kết quả là làm cô đặc lại dưới sự hình thành của chuẩn Ti-O-Ti Sự hình thành Ti(OH)4 nhờ sự thủy phân lớn từ một lượng nước trung bình Phản ứng trùng ngưng chuỗi Ti-O-Ti được phát triển từ một lượng lớn nước [43-46]
Tổng hợp bột nano titan oxyt bằng phương pháp sol-gel cũng đã được Li
et al trình bày[47] Mục đích là để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng kích thước của hạt nano TiO2 Kết quả cho thấy ở các điều kiện chuẩn bị như nồng độ, pH dung môi, thời gian và nhiệt độ nung có nhiều ảnh hưởng đến tính chất của hạt nano TiO2 [47]
Các đặc tính và tính chất của hạt nano TiO2 được nghiên cứu bởi các phương pháp: Phương pháp:XRD để xác định kích thước hạt tinh thể trung bình, thành phần pha của vật liệu khảo sát; SEM để xác địnhtrạng thái bề mặt của vật liệu màng chế tạo; TEM để xác định hình dáng hạt tinh thể, sự phân bố
tạo Phương pháp phân tích tetracycline bằng thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)
Cấu trúc tinh thể của hạt nano TiO2 được thực hiện phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Kích thước hạt trung bình của bột TiO2 được xác định dựa vào pic đặc trưng trên giản đồ XRD theo công thức của Scherrer:
r =
(1)
r: kích thước trung bình của TiO2 (nm)
k: là một dạng chỉ số không thứ nguyên Chỉ số này có giá trị vào khoảng
Trang 2928
0,89
𝜆: bước sóng Kα của anot Cu, = 0,15406 (nm)
là độ rộng bán kích cực đại của vạch và = (FWHM.π)/180 (radian)
là góc nhiễu xạ (độ) (lưu ý trên giản đồ vị trí của peak là góc 2)
TiO2 có ba dạng thù hình, Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh thể
là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic) (Hình 7)
Hình 2: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO 2
Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxi chung Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2-
Các mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedral Hình tám mặt trong rutile là không đồng đều do đó có sự biến dạng orthorhombic (hệ trực thoi) yếu Các octahedra của anatase bị biến dạng mạnh hơn, vì vậy mức đối xứng của hệ là thấp hơn hệ trực thoi Khoảng cách Ti – Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti - O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile Trong cả ba dạng tinh thể thù hình của TiO2 các octahedra được nối với nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh
Trang 30~3,2eV) sẽ tạo ra cặp electron - lỗ trống (e, h+) ở vùng dẫn và vùng hóa trị Những cặp electron – lỗ trống này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa- khử Các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành các gốc tự do hoạt động như ( , ) Tương tự như thế các electron sẽ tham gia vào các quá trình khử tạo thành các gốc tự do Các gốc tự do sẽ tiếp tục oxi hóa các chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác thành sản phẩm cuối cùng không độc hại là CO2 và HO2 [54] Cơ chế xảy ra như sau:
Hình 3: Cơ chế của phản ứng quang xúc tác của vật liệu TiO 2 khi được chiếu sáng
OH
2
Trang 31Sự bổ sung thêm vào sẽ làm tăng hiệu quả phản ứng (phương trình 1.6) và gốc sinh ra cũng tham gia vào phản ứng (phương trình 1.8 và 1.10) Các gốc sinh ra có tính oxi hóa rất mạnh (chủ yếu là và ),
Hợp chất hữu cơ sẽ bị hấp phụ trên bề mặt TiO2 và bị oxi hoá bởi và , Sản phẩm cuối cùng của phản ứng quang hoá là
1.9 Xác định tetracycline bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao
Việc phân tích kháng sinh tetracycline trước và sau khi tiến hành quang hóa được thực hiện trên thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) sử dụng cột ODS C18 (250×4,6 mm, 5µm); và detector hấp thụ tử ngoại ở bước sóng 360nm Với tốc độ dòng 1mL/min; dung môi pha động là hỗn hợp ACN:axit Oxalic 0,01M = 31:69 Thời gian lưu ghi nhận tín hiệu pic đặt từ 0 – 10 phút
Trang 3231
Từ đó ta thu được sắc ký đồ của tetracycline như hình……
Hình 4 Sắc ký đồ của Tetracycline tại bước song 360nm
Để xác định hàm lượng tetracycline trước và sau khi xử lý bằng phản ứng quang xúc tác nano TiO2, chúng tôi tiến hành xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp qua các thông số đánh giá như: độ tuyến tính của đường chuẩn,
độ lặp lại, độ thu hồi, cũng như giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp và dựa trên tiêu chuẩn và hướng dẫn về xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp phân tích của Viện KN ATVSTP Quốc gia (2010), Thẩm định phương pháp trong phân tích hóa học và vi sinh, NXB Khoa học Kỹ thuật
1.9.1 Độ tuyến tính của đường chuẩn
Đường chuẩn của Tetracycline được chúng tôi thực hiện tại tại 6 điểm trong dải nồng độ 5mg/L; 10mg/L; 25mg/L; 50mg/L; 75mg/L và 100mg/L bằng phương pháp ngoại chuẩn trên nền mẫu trắng
Trang 3332
Hình 5 Đường chuẩn Tetracycline
Đường chuẩn có độ tuyến tính R2=0,9974;
Phương trình hồi quy: Y= 32,545x+ 27,25
Độ lệch của các điểm trên đường chuẩn nhỏ hơn 20%.Như vậy đường chuẩn tetracycline đạt yêu cầu
Bảng 1 Độ chính xác của đường chuẩn xác định tetracycline
(mg/L)
Độ chệch (%)
Trang 3433
1.9.2 Độ chính xác của phương pháp
Đây là hai yếu tố quan trọng đánh giá hiệu quả của phương pháp phân tích Một phương pháp phân tích tốt ngoài việc có sai số nhỏ còn yêu cầu có độ lặp lại cao Theo lý thuyết thống kê, các đại lượng đặc trưng cho độ lặp lại là
độ lệch chuẩn (SD) và hệ số biến thiên (RSD%) Chúng tôi tiến hành thêm chuẩn ở ba mức nồng độ khác nhau (mức thấp, trung bình, mức cao), tại mỗi mức nồng độ tiến hành làm lặp lại 3 lần để đánh giá độ thu hồi Kết quả được chỉ ra trong các bảng sau:
Bảng 2 Độ lặp lại và độ thu hồi của phương pháp trên nền mẫu nước
Nồng độ
(mg/L) Diện tích pic
Nồng độ tính lại theo đường chuẩn, (mg/L)
trung bình, (mg/L)
Kết quả khảo sát được trong bảng 2 cho thấy độ lệch chuẩn tương đối của tetracycline nằm trong khoảng 1,12 % - 3,98%; độ thu hồi (R%) của phương pháp ở các mức thêm chuẩn nằm trong khoảng 89,4 – 103,1%
So sánh kết quả nhận được với quy định của AOAC trong phụ lục A1 và A2.Phương pháp có độ lặp lại và độ thu hồi phù hợp với yêu cầu của AOAC