Tính cấp thiết của đề tài
Chitin là một polyme tự nhiên có cấu trúc mạch thẳng, bao gồm các đơn vị N-acetyl-D-glucosamin liên kết với nhau qua liên kết (1,4)-glucosid Polyme này được chiết xuất từ các nguồn carbohydrate tự nhiên như vỏ tôm, cua và ghẹ Hiện nay, chitin đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, dược phẩm, công nghiệp thực phẩm và xử lý nước.
Quá trình deacetyl và thủy phân chitin tạo ra một dạng tinh thể lỏng, là dạng trung gian giữa chitin và chitosan với cấu trúc hình que Dạng này được sử dụng làm tiền chất để chế tạo các vật liệu cacbon mao quản và làm khung cho vật liệu aerogel, một loại vật liệu siêu nhẹ với độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn Aerogel có ứng dụng trong chế tạo vật liệu bán dẫn, vật liệu y sinh và cảm biến khí.
Trong quá trình chế tạo vật liệu aerogel, tinh thể lỏng chitin được liên kết ngang với các chất như formaldehyde, glyoxal, metylglyoxal, glutaral hoặc hỗn hợp kiềm/Urea để tạo ra hạt gel chitin (chitin-hydrogel) Từ các hạt hydrogel này, phản ứng thủy nhiệt được thực hiện để sản xuất aerogel siêu nhẹ Báo cáo tốt nghiệp của chúng tôi tập trung vào nghiên cứu các phương pháp tạo ra hạt gel chitin - tiền chất ban đầu của aerogel - với glutaral làm chất kết nối để hình thành liên kết ngang qua các phương pháp khác nhau.
Tình hình nghiên cứu và sản xuất chitin trên thế giới và ở Việt Nam
Tinh hình nghiên cứu và sản xuất chitin trên th ế giới
Nhóm tác giả Xiaoping Shen, Julia L Shamshina, và Paula Berton (2013) đã tổng hợp hạt hydrogel từ cellulose và chitin, hai loại polymer sinh học phổ biến nhất trên Trái đất, với các điều kiện có và không có liên kết ngang Đối với trường hợp có liên kết ngang, họ đã sử dụng hỗn hợp NaOH/Urea ở nhiệt độ thấp để tạo liên kết Tương tự, nhóm tác giả Bo Duan và cộng sự (2015) cũng đã nghiên cứu để tạo ra các hạt cầu micro từ bột chitin tinh khiết bằng phương pháp liên kết ngang kiềm/Urea.
Tác giả Yan Wu và cộng sự (2005) đã nghiên cứu và chế tạo hạt nano chitosan thông qua phản ứng giữa hạt gel ion chitosan với anion TPP (sodium tripolyphosphate) và PEG (polyethylenglycol) Nghiên cứu này đã khảo sát ảnh hưởng của TPP và PEG lên khả năng tạo hạt nano của chitosan, với kết quả cho thấy sự kết hợp tuyệt vời giữa chitosan và hai chất này.
Tinh hình nghiên cứu và sản xuất chitin ở Việt N am
Việc nghiên cứu để tạo ra loại hạt này, hiện tại ở Việt Nam chưa có nhiều đặc biệt là hydrogel và aergel từ chitin.
Nhóm tác giả Chau T L Trang, Le Q T D Dung, và Le T Hoa (2017) từ Đại học Khoa học Huế đã nghiên cứu việc sử dụng tinh thể lỏng chitin để chế tạo hydrogel Phương pháp thực hiện bao gồm khuấy và đánh siêu âm với formaldehyde như chất tạo liên kết, sau đó tiến hành quá trình thủy nhiệt trong 20 giờ ở nhiệt độ 70°C.
Các tác giả Lê Thanh Phước và Bùi Vũ Thanh Phương (2012) đã nghiên cứu chế tạo hạt gel chitosan liên kết ngang kích thước nhỏ bằng phương pháp biến tính hóa học với glutaral, nhằm ứng dụng trong quá trình hấp phụ đồng.
Tác giả Dương Thị Ánh Tuyết (2010) đã nghiên cứu chế tạo vật liệu nanochitosan từ chitosan, sử dụng sodium tripolyphosphate (Na5P3O - TPP) làm chất tạo liên kết ngang để điều chế chitosan hydrogel trước khi sản xuất nanochitosan.
Ngoài các tác giả đã đề cập, nhiều nhóm nghiên cứu khác cũng sử dụng glutaral, TPP hoặc glyoxal để tạo ra hạt hydrogel, chủ yếu từ chitosan hoặc chitin tinh khiết.
Mục đích nghiên cứu
• Nghiên cứu chế tạo hạt gel chitin (chitin-hydrogel) kích thước nhỏ từ vỏ cua.
Nhiệm vụ nghiên cứu
• Điều chế tinh thể lỏng chitin từ vỏ cua.
• Nghiên cứu chế tạo hạt gel chitin kích thước nhỏ từ vỏ cua bằng các phương pháp khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp điều chế hạt gel
• Phương pháp biến tính chitin
• Phương pháp 2 pha (pha ưa nước và pha kỵ nước)
Phương pháp đặc trưng
• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• Phương pháp hấp thụ bức xạ hồng ngoại (IR)
Dự kiến kết quả nghiên cứu
• Thu được hạt gel chitin kích thước nhỏ.
TỔNG QUAN
Tổng quan về chitin
1.1.1 Thành phần hóa học của chitin
Chitin tồn tại dưới dạng phức hợp chitin - protein, được liên kết bởi các liên kết đồng hóa trị với protein, cùng với việc kết hợp với các hợp chất khoáng và hữu cơ khác Điều này gây khó khăn cho quá trình tách và chiết xuất chitin.
Canxi có mặt trong vỏ tôm, vỏ cua và các loại hải sản khác, chủ yếu dưới dạng muối vô cơ như CaCO3 Mặc dù hàm lượng Ca3(PO4)2 không cao, nhưng trong quá trình khử khoáng, nó dễ dàng tạo thành hợp chất CaHPO4 không tan trong HCl, gây khó khăn cho quá trình này.
Protein: thành phần protein trong phế liệu cua thường tồn tại ở 2 dạng: dạng tự do và dạng liên kết
Dạng tự do của thịt cua xuất hiện từ những con cua bị biến đổi và lẫn vào phế liệu, bao gồm phần mai và thịt còn sót lại Nếu công nhân không thực hiện kỹ thuật vặt mai đúng cách, protein sẽ bị tổn thất vào phế liệu, dẫn đến tăng tiêu hao nguyên vật liệu và làm cho việc xử lý phế liệu trở nên khó khăn hơn.
Protein ở dạng phức tạp không hòa tan, thường liên kết với chitin, canxi cacbonat, lipit để tạo thành lipoprotein, và với sắc tố để hình thành proteincarotenoit Những yếu tố này cùng nhau tạo thành một phần quan trọng quyết định tính bền vững của vỏ cua.
1.1.2 Cấu trúc hóa học và tính chất hóa lý của chitin
Chitin có cấu trúc tinh thể chặt chẽ và đồng đều, được xác nhận thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X Theo nghiên cứu, chitin tồn tại dưới ba dạng cấu hình chính: a, ß và γ - chitin.
Chitin có cấu trúc các mạch sắp xếp ngược chiều nhau một cách đều đặn, tạo ra sự bền vững nhờ vào các liên kết hydro không chỉ trong một lớp mà còn giữa các lớp Sự sắp xếp đảo chiều của các mắt xích mang lại lợi thế về không gian và năng lượng, góp phần vào tính chất vững chắc của chitin.
B, Y - chitin do mắt xích ghép với nhau theo kiểu song song (P - chitin) và hai song song một ngược chiều (y - chitin), giữa các lớp không có loại liên kết hydro Dạng p - chitin cũng có thể chuyển sang dạng a - chitin nhờ quá trình axetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững hơn.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng chitin là một polymer được hình thành từ các đơn vị N, và quá trình thủy phân chitin có thể được thực hiện bằng enzyme hoặc axit HCl đậm đặc.
- acetyl - p - D - glucosamine liên kết với nhau bởi liên kết p - 1,4 - glucozit.
Công thức cấu tạo của chitin:
Tên gọi: poly(1,4) - 2 - acetamido - 2 - deoxy - p - D - glucose; poly(1,4) - 2 acetamido - 2 - deoxy - p - D - glucopyranose.
Chitin là một chất có màu trắng hoặc trắng phớt hồng, tồn tại dưới dạng vảy hoặc bột, không có mùi, vị và không tan trong nước, môi trường kiềm, axit loãng cũng như các dung môi hữu cơ như ete và rượu Tuy nhiên, chitin tan trong dung dịch đặc nóng của muối thioxianat canxi (Ca(SCN)2), tạo thành dung dịch keo, và cũng tan trong hệ dimetylacetamid - LiCl 8%, hexaíluoro - isopropyl alcohol (CF3CHOHCF3) và hexafuoracetone sesquihydrate (CF3COCF3.H2O) Ngoài ra, chitin có khả năng hấp thu tia hồng ngoại ở bước sóng 884 - 890 cm-1.
Chitin có khả năng phản ứng với các chất oxy hóa mạnh như thuốc tím (KMnO4), oxy già (H2O2) và nước javen (NaOCl) Nhờ vào tính chất này, các chất oxy hóa được sử dụng để khử màu cho chitin hiệu quả.
Khi đun nóng trong dung dịch NaOH đậm đặc (40 - 50%), ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị mất gốc acetyl tạo thành chitosan:
Khi đun nóng trong axit HCl đậm đặc, ở nhiệt độ cao thì chitin sẽ bị cắt mạch thu được glucosamine:
Chitin, đặc biệt là a-chitin, có tính kỵ nước cao và không tan trong nước, kiềm, axit loãng cũng như các dung môi hữu cơ như ete và rượu Tính không tan này xuất phát từ cấu trúc chặt chẽ của chitin với các liên kết nội và liên phân tử mạnh thông qua các nhóm hydroxyde và acetamide Tuy nhiên, b-chitin lại có khả năng trương nở cao khi tiếp xúc với nước Chitin có thể hòa tan trong dung dịch axit đậm đặc như HCl, H3PO4 và dimethylacetamide có chứa 5% lithiumchloride.
Chitin là một polymer sinh học có cấu trúc rắn chắc hơn so với nhiều loại polymer khác Độ rắn của chitin có thể thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà nó được chiết xuất.
Tổng quan về phương pháp điều chế và ứng dụng hạt gel chitin
Từ chitin lỏng, chúng ta có thể sản xuất hạt gel chitin thông qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp nhũ tương, phương pháp biến tính hóa học trực tiếp và phương pháp 2 pha, kết hợp giữa pha ưa nước và pha kỵ nước.
Để tạo nhũ tương, sử dụng dung dịch ChLC 2% làm pha phân tán kết hợp với dầu paraffin và chất hoạt động bề mặt Span 80 Hỗn hợp này được khuấy đều để hình thành nhũ tương nước trong dầu, sau đó thêm dung dịch NaOH 1N vào hỗn hợp.
Sử dụng máy khuấy từ để khuấy mẫu trước khi ngưng, sau đó cho hỗn hợp vào bình chiết và để ổn định qua đêm Dưới tác động của trọng lực, các hạt chitin sẽ lắng xuống đáy bình Phần bông cặn được lấy ra và ly tâm để loại bỏ dầu thừa, rồi tiếp tục rửa với nước cất cho đến khi đạt độ pH trung hòa.
Tạo liên kết ngang cho hạt chitin thu được bằng Glu 25% (ta thêm vào Glu vào với tỉ lệ chitin/Glu là 1/0.5) rồi rửa lại bằng ether.
1.2.1.2 Phương pháp biến tính hóa học trực tiếp [6]
Hòa tan tinh thể chitin lỏng (ChLC) vào dầu paraffin và chất hoạt động bề mặt Span 80 trong cốc nhựa, sau đó khuấy đều trên máy khuấy từ Tiếp tục thêm dung dịch ChLC vào hỗn hợp và duy trì tốc độ khuấy không đổi Sau khi hoàn tất việc thêm ChLC, bổ sung dung dịch Glu 25% vào hỗn hợp và giữ tốc độ khuấy ổn định Hỗn hợp sẽ chuyển thành huyền phù với các hạt chitin liên kết ngang phân tán trong dầu, sau đó để yên cho các hạt lắng xuống Cuối cùng, lọc lấy phần kết tủa, ly tâm để loại bỏ dầu thừa và rửa nhiều lần bằng nước cất.
Chuẩn bị hai pha riêng biệt: pha ưa nước và pha kỵ nước Pha kỵ nước bao gồm Tween 80, dầu parafin và cyclohexan được khuấy đều Pha ưa nước được tạo ra bằng cách trộn chitin lỏng (ChLC 4%) với Glu 25% và khuấy đều Sau đó, hỗn hợp của hai pha được trộn lại, khuấy trong một khoảng thời gian nhất định, để lắng xuống trong phễu chiết và tiếp tục lọc ly tâm.
- Làm chất truyền tải thuốc [16]
1.3 Tổng quan về nguyên liệu vỏ cua
Chitin là một hợp chất quan trọng được chiết xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu, chủ yếu là phế liệu thủy sản như vỏ tôm, ghẹ và mực Ngoài ra, chitin cũng có thể được tìm thấy trong vi nấm và vi khuẩn Hàm lượng chitin trong các nguyên liệu này có sự biến đổi tùy thuộc vào loại nguồn gốc.
Bảng 1.1 Thành phần hóa học một số p h ế liệu thủy sản để sản xuất chitin
Thành phần hóa học (%) Độ ẩm Protein Khoáng Lipit Chitin
Ghẹ chấm 12,9 10,3 57,9 0,3 17,1 Đầu tôm sú 9,1 26,8 29,3 0,5 34,9
Quy trình chiết xuất chitin phụ thuộc vào thành phần của từng nguyên liệu Khóa luận này tập trung vào việc nghiên cứu thành phần phế liệu từ vỏ cua, nhằm hiểu rõ hơn về nguyên liệu sử dụng trong quá trình chiết xuất.
Hình 1.3 Nguyên liệu sản xuất tinh thể lỏng chitin
♦♦♦ Thành phần của p h ế liệu cua
Quá trình phơi khô để loại nước có trong vỏ cua để bảo quản được thời gian dài để chuổn bị cho quá trình làm thí nghiệm.
Vỏ cua chia làm 4 lớp chính:
• Lớp không bị canxi hóa
Lớp biểu bì không chứa chitin, trong khi lớp màu và lớp canxi hóa lại có nhiều chitin Sự lắng đọng canxi tạo ra lớp canxi hóa cứng, tạo nên sự khác biệt giữa các lớp này.
Ta gọi các lớp có chứa chitin là endocuicle.
Lớp màu được hình thành từ sự hiện diện của các hạt vật chất có màu sắc tương tự như melanin Trong một số khu vực, có sự xuất hiện của các hệ thống rãnh thẳng đứng phân nhánh, tạo điều kiện cho canxi thẩm thấu vào.
Lớp biểu bì (epcuticle): Nó khác với các vỏ còn lại, bắt m àu với anilin xanh
Lớp epicuticle có chứa lipit, giúp cản trở tác động của axit ở nhiệt độ thường trong quá trình khử khoáng bằng axit, khác với các lớp bên trong Màu sắc của lớp này thường là vàng rất nhạt, chứa polyphenoloxidase và bị hóa cứng bởi puinone - tannin Epicuticle liên kết với một số màng mỏng bên ngoài, tạo ra sự cản trở hòa tan ngay cả trong môi trường axit đậm đặc nhờ vào sự hiện diện của các mắt xích paratin mạch thẳng.
Lớp canxi hóa: lớp này chiếm phần lớn vỏ, thường có màu xanh trải đều khắp, chitin ở trạng thái tạo phức với canxi.
Lớp không bị canxi hóa là phần trong cùng của lớp vỏ, chiếm một tỷ lệ nhỏ so với tổng chiều dày Phần này bao gồm các phức hợp chitin và protein bền vững, không chứa canxi và quinine.
Do đó để thu được chitin cần phải làm thực nghiệm loại bỏ protein, canxi và màu.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Vỏ cua được lấy từ các nhà hàng thủy sản tại thành phố Vũng Tàu và Cà Mau.
Tất cả các hóa chất đều là hóa chất tinh khiết của Trung Quốc.
Nội dung nghiên cứu
2.2.1 Điều chế tinh thể lỏng chitin
Quy trình điều chế tinh thể lỏng chitin (ChLC) được tiến hành dựa vào công trình nghiên cứu của TS Trần Thanh Định - ĐH Vancouver - Canada [2].
Hình 2.1 Sơ đồ điều chế tinh thể lỏng chitin
Sau khi sử dụng, vỏ cua được ngâm trong nước để làm mềm các lớp thịt còn sót lại bên trong Tiếp theo, vỏ cua được luộc trong nước sôi, sau đó rửa sạch và phơi khô.
Mục đích: loại bỏ protein ra khỏi liên kết với chitin trong vỏ cua.
Quá trình khử protein từ phế liệu thủy sản chủ yếu sử dụng NaOH với nồng độ từ 1% - 10% ở nhiệt độ phòng hoặc cao, kéo dài từ vài giờ đến vài ngày Để nâng cao hiệu quả, cần khuấy đảo trong suốt quá trình xử lý Đối với vỏ cua, sau khi phơi khô và bẻ nhỏ, ta sử dụng dung dịch NaOH 5% để loại bỏ hoàn toàn protein, với pH kiểm tra đạt 11-12 Quá trình đun ở 80oC trong 6 giờ giúp thủy phân protein thành các amin tự do, sau đó sản phẩm được rửa sạch đến pH = 7 để loại bỏ protein còn sót lại, muối natri và NaOH dư.
Hình 2.2 Vỏ cua trong quà trình khử protein lần 1 2.2.1.3 K hử khoáng [12]
Mục đích: loại bỏ các chất khoáng và chất m àu ra khỏi liên kết với chitin trong vỏ cua.
Sau khi rửa sạch vỏ cua, quá trình khử protein được tiến hành trước khi thực hiện khử khoáng Vỏ cua chủ yếu chứa muối CaCO3 và một lượng nhỏ Ca3(PO4)2, do đó, các axit như HCl và H2SO4 thường được sử dụng để khử khoáng Quá trình này thường diễn ra ở nhiệt độ thường và có sự khuấy đảo Nồng độ axit, thời gian ngâm và tỷ lệ w/v là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng chitin thu được Đặc biệt, nồng độ HCl cho phế liệu tôm thường thấp hơn so với phế liệu cua và ghẹ, vì vậy cần điều chỉnh chế độ khử khoáng phù hợp với từng loại nguyên liệu và yêu cầu chất lượng chitin.
Nồng độ HCl đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng chitin thành phẩm và ảnh hưởng đến thời gian cũng như hiệu quả của quá trình khử khoáng Nồng độ HCl cao có thể rút ngắn thời gian khử khoáng nhưng đồng thời gây ra hiện tượng thủy phân các liên kết glucoside, dẫn đến việc tạo ra các polymer có trọng lượng phân tử thấp, thậm chí có thể thủy phân hoàn toàn thành glucosamin Ngược lại, nồng độ HCl quá thấp sẽ khiến quá trình khử khoáng không đạt yêu cầu, kéo dài thời gian xử lý và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm.
Sau khi thực hiện khử khoáng, quá trình rửa trung tính được tiến hành để loại bỏ hoàn toàn các muối và acid dư có trong nước Quá trình này sẽ kết thúc khi dịch rửa đạt giá trị pH bằng 7.
- Lấy 500ml HCl 7% cho vào bình 1 lít có chứa sẵn mẫu ^ thay axit 4 lần trong khoảng 2, 3 ngày ^ nhằm loại bỏ canxi và khoáng trong sản phẩm.
Hình 2.3 Quá trình khử khoáng
Mục đích của quy trình này là tiếp tục loại bỏ protein để đạt được vỏ cua có hàm lượng protein dưới 5% Để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn protein còn sót lại sau lần khử protein đầu tiên, chúng ta tiến hành khử protein thêm một lần nữa Mẫu sau khi khử khoáng sẽ được rửa sạch, sau đó cho 500ml NaOH 5% vào bình chứa mẫu và gia nhiệt trong 8 giờ Qua giai đoạn này, protein không hòa tan, thường liên kết với chitin, CaCO3 và lipid sẽ được loại bỏ, tạo thành lipoprotein.
Hình 2.4 Vỏ cua trong quá trình khử Protein lần 2 2.2.1.5 Khử màu [12]
Vỏ cua sau khi khử protein lần 2 sẽ có màu hồng nhạt, làm giảm giá trị cảm quan và chất lượng chitin khi sử dụng làm nguyên liệu sản xuất Để cải thiện giá trị cảm quan, cần tẩy màu để thu được chitin trắng hơn Để loại bỏ hoàn toàn màu sắc của vỏ cua, pha 500 ml H2O2 30% vào bình chứa mẫu và gia nhiệt ở 90°C trong 1 giờ Sau khi tẩy trắng, rửa sạch với nước cất và phơi dưới ánh nắng mặt trời hoặc trong tủ sấy ở nhiệt độ 40°C đến 50°C cho đến khi chitin khô, từ đó thu được chitin rắn.
Hình 2.5 Vỏ cua sau khi khử màu và sấy (phơi khô) 2.2.I.6 Deacetyl [12]
Deacetyl là chuyển hóa nhóm -NHCOCH3 thành nhóm NH2 và loại bỏ nhóm - CH3CO một cách không hoàn toàn.
Quá trình deacetyl thường được thực hiện bằng cách ngâm chitin trong dung dịch NaOH hoặc KOH đậm đặc, với nồng độ NaOH từ 40-50% ở nhiệt độ 90°C Các phương pháp deacetyl có sự đa dạng tùy thuộc vào nguồn chitin và yêu cầu về tính chất sản phẩm Để tiến hành, cân 2,5g chitin đã khử màu, cho vào bình với 25ml NaOH 33%, đặt trên máy khuấy từ ở 90°C trong 2 giờ Sau đó, lọc mẫu deacetyl và rửa bằng nước cất khoảng 3-4 lần để tiếp tục quá trình thủy phân.
Mục đích: dùng để cắt mạch chitin - phá vỡ liên kết để tạo chitosan-chitin lỏng.
Chúng tôi tiến hành thủy phân mẫu chitin đã deacetyl bằng cách cho 50 ml dung dịch HCl 7% vào và đặt trên máy khuấy từ với nhiệt độ từ 100-104°C trong 12 giờ Trong khoảng thời gian từ tiếng thứ 10 đến 11, chúng tôi sử dụng ống nhỏ giọt để thêm từng giọt H2O2 (khoảng 1-10 ml) nhằm làm sáng màu mẫu, cần tránh nhỏ quá nhiều cùng lúc để tránh hiện tượng sủi bọt.
Tiếp tục quá trình thủy phân cho đến khi đạt thời gian mong muốn, sau đó ngừng lại và lấy mẫu để ly tâm với vận tốc 5000 vòng/phút trong 5 phút Sau khi ly tâm, thêm nước cất và ly tâm 3-4 lần cho đến khi nước cất có màu trắng đục Kết quả thu được là mẫu chitin lỏng màu trắng Cuối cùng, rửa phần chitin lỏng còn lại trong ống ly tâm bằng cồn để thu toàn bộ lượng chitin lỏng.
Hình 2.7 M ẫu chitin thu được sau quá trình thủy phân
2.2.2 Chế tạo hạt gel chitin kích thước nhỏ từ vỏ cua
2.2.2.I Phương pháp biến tính hóa học trực tiếp [6]
Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp biến tính hóa học trực tiếp a) b) c)
Hình 2.9 Hình sau khi khuấy (a), lắng (b) và ly tâm
Hình 2.10 Sơ đồ phương pháp 2 pha
Sau khi ly tâm ta thu được mẫu:
Hình 2.11 M ẫu sau khi ly tâm
Khuấy trong 1h, ở nhiệt độ thường
Hình 2.12 Sơ đồ phương pháp nhũ tương a) b) Hình 2.13 M ẫu sau khi lắng (a) và ly tâm (b) 2.2.3 M ột số phương pháp đặc trưng
2.2.3.1 SE M ( Kính hiển vi điện tử quét )
SEMPA (Kính hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực: Scanning Electron
Kính hiển vi với Phân tích Phân cực (Microscopy with Polarisation Analysis) là một chế độ chụp ảnh của SEM, trong đó các điện tử thứ cấp phát ra từ mẫu được ghi nhận thông qua một detector đặc biệt Detector này có khả năng tách biệt các điện tử phân cực spin, cho phép thu được hình ảnh cấu trúc từ của mẫu một cách chính xác.
Việc phát các chùm điện tử trong SEM tương tự như trong kính hiển vi điện tử truyền qua, với điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử và tăng tốc từ 10 kV đến 50 kV Tuy nhiên, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ gặp khó khăn do hạn chế của thấu kính từ Hệ thống thấu kính từ giúp hội tụ điện tử thành chùm hẹp (vài trăm Angstrong đến vài nanomet) và quét trên bề mặt mẫu qua cuộn quét tĩnh điện Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào kích thước chùm điện tử hội tụ và tương tác giữa điện tử với bề mặt mẫu, dẫn đến việc SEM không đạt độ phân giải cao như TEM Phân tích bức xạ phát ra từ sự tương tác này là cơ sở cho việc tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích liên quan.
Điện tử thứ cấp (Secondary electrons) là chế độ ghi ảnh phổ biến nhất trong kính hiển vi điện tử quét, nơi chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp được ghi nhận qua ống nhân quang nhấp nháy Với năng lượng thấp, các điện tử này chủ yếu phát ra từ bề mặt mẫu ở độ sâu chỉ vài nanomet, do đó tạo ra hình ảnh hai chiều rõ nét của bề mặt mẫu.
Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons) là chùm điện tử có năng lượng cao, được phát sinh khi các điện tử ban đầu tương tác với bề mặt mẫu và bị bật ngược trở lại Sự tán xạ này phụ thuộc vào thành phần hóa học của bề mặt mẫu, vì vậy ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích trong việc phân tích độ tương phản thành phần hóa học Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược còn được sử dụng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ, hỗ trợ cho việc phân tích cấu trúc tinh thể trong chế độ phân cực điện tử.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) có ưu điểm nổi bật là phân tích mẫu mà không cần phá hủy, hoạt động hiệu quả ở chân không thấp, và dễ sử dụng nhờ vào thao tác điều khiển đơn giản hơn so với kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Bên cạnh đó, giá thành của SEM cũng thấp hơn nhiều so với TEM, làm cho SEM trở nên phổ biến hơn trong nghiên cứu và ứng dụng.
Hình 2.14 M áy đo SEM 2.2.3.2 XRD (Phương pháp nhiễu xạ tia X )