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

đã được thực hiện để nghiên cứu sự hấp phụ của các axit amin trên các vật liệu khác nhaunhư khoáng chất [21, 55], zeolite [29, 49], than hoạt tính [50] và chất hấp phụ polymer[19].Nghiên

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

LỜI CẢM ƠN

Trướchết,emxinchânthànhcảmơnTS.PhạmTiếnĐứcđãgiaođềtàivàtậntìnhhướng dẫn, chỉ bảo để em hoàn thành đề tài luận vănnày.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và cán bộ trong bộ môn Hóa Phân Tích vàkhoa Hóa trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu.

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

Emcũngxingửilờicảmơnsâusắcđếngiađình,ngườithânvàbạnbèđãtạođiềukiện, giúp

đỡ và động viên em trong thời gian học tập và thực hiện đềtài.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 11 năm 2019

Học viên

Hoàng Thị Sim

MỤC LỤC

MỞĐẦU 1

CHƯƠNG I:TỔNGQUAN 3

1.1 Giới thiệu câyChùmngây 3

1.1.1 Đặc điểm thực vật vàphânbố 3

1.1.1.1 Têngọi 3

1.1.1.2 Đặc điểmthựcvật 3

1.1.2 Công dụng của câyChùmngây 4

1.2 Các nghiên cứu về hạtChùmngây 6

1.2.1 Các nghiên cứutrongnước 7

1.2.2 Các nghiên cứungoàinước 7

1.3 Giới thiệu về axitamin L-Tryptophan 9

1.4 Giới thiệu vậtliệunanosilica 10

1.5 Ứng dụngcủananosilica 11

1.6 Lý thuyết về phương pháphấpphụ 14

1.6.1 Cơ sở lý thuyết của quá trìnhhấpphụ 14

1.6.2 Các phương trình đẳng nhiệthấpphụ 16

1.6.3 Động học hấpphụ 18

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁPNGHIÊNCỨU 20

2.1 Đối tượngnghiêncứu 20

2.2 Mục tiêunghiêncứu 20

2.3 Phương phápnghiêncứu 20

2.3.1 Phương pháp quang phổ hấp thụ phântử UV-Vis 20

2.3.2 Phương pháp phổ hồngngoạiFT-IR 21

2.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyềnquaTEM 22

2.3.4 Phương pháp nhiễu xạRơnghenXRD 23

2.3.5 Phương pháp đo diện tích bề mặtriêngBET 23

2.3.6 Phương pháp tổng hợp vật liệu nanosilica từvỏtrấu 24

2.3.7 Phương pháp tách chiết, tinh chế protein từ hạtChùmngây 25

2.4 Hóa chất, dụng cụ,thiếtbị 26

2.4.1 Hóachất 26

2.4.2 Thiết bị 26

2.4.3 Dụngcụ 27

2.5 Pha chế cácdung dịch 27

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀTHẢOLUẬN 29

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

3.1.1 Phổ hồngngoại(FT-IR) 29

3.1.2 Giản đồ nhiễu xạRơnghen(XRD) 30

3.1.3 Ảnh TEM 30

3.1.4 Xác định diện tích bề mặttheoBET 31

3.2 Định tính và định lượng protein tách chiết từ hạtChùmngây 32

3.2.1 Phản ứng biure của bột protein tách được từ hạt câyChùmngây 32

3.2.2 Phổ hồngngoại(FT-IR) 32

3.2.3 Phân tích định lượng protein bằng sắc ký lỏng hiệu năngcaoHPLC 33

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

3.3.1 Phân tích L-Trp và protein bằng phươngphápUV-Vis 36

3.3.2 Đường chuẩn xác định axit amin L-Trp và protein tách chiết từ hạt Chùmngây 37 3.4 Hấp phụ axit amin L-Trp trên vậtliệunanosilica 39

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởngcủapH 39

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng củalựcion 40

3.4.3 Khảo sát lượng vật liệuhấpphụ 42

3.4.4 Khảo sát thời gianhấpphụ 44

3.4.5 Cơ chếhấp phụ 45

3.5 Hấp phụ protein tách chiết từ hạt Chùm ngây trên vật liệu nanosilica được tổnghợp từvỏtrấu 48

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởngcủapH 48

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng củalựcion 49

3.5.3 Khảo sát lượng vật liệuhấpphụ 51

3.5.4 Khảo sát thời gian hấp phụcânbằng 52

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

3.5.6 Đánh giá sự thay đổi nhóm chức bề mặt bằng phổhồngngoại 55

3.5.7 Hấp phụđẳngnhiệt 56

3.5.8 Hấp phụđộnghọc 59

KẾTLUẬN 62

TÀI LIỆUTHAMKHẢO 63

PHỤLỤC 69

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

FT-IR Fourier transform infrared

spectroscopy

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

Chromatography

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

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 câyChùmngây 3

Hình 1.2 Cấutrúc(L)-Tryptophan 10

Hình 1.3 Cấu trúc ghép tứdiệnSiO 2 10

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

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

Hình 3.1 Phổ hồng ngoại FT-IR của nanosilica tổng hợp từvỏtrấu 29

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ XRD của vật liệu nanosilica tổng hợp từvỏtrấu 30

Hình 3.3 Ảnh TEMcủaSiO 2 31

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

Hình 3.5 Thử bột proteinvớibiure 32

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

Hình 3.7 Phổ UV-ViscủaL-Trp 36

Hình 3.8 Phổ UV-Vis của proteinChùm ngây 36

Hình 3.9 Đường chuẩn xác định axitaminL-Trp 37

Hình 3.10 Đường chuẩn xác định protein hạtChùmngây 38

Hình 3.11 Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ (L)-Trptrênnanosilica 40

Hình 3.12 Ảnh hưởng của lực ion đến dung lượng hấp phụ L-Trp trên vật liệuna nos il ic a 41

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

43 Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ L-TrptrênSiO 2 45

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

Hình 3.16 Động học hấp phụ của hấp phụ L-Trp lên nanosilica tính theo mô hình giảbậchai

46 Hình3.17.ThếzetacủananosilicatrướcvàsaukhihấpphụL-Trpở pH4vàpH10trong1mMKCl

47 Hình 3.18 Ảnh hưởng của pH đến sự hấp phụ proteintrênSiO 2 49

Hình 3.19 Ảnh hưởng của nền muối KCl đến khả năng hấp phụ proteintrênSiO 2 50

Hình 3.20 Ảnh hưởng của lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ proteintrênSiO 2 52

Hình 3.21 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ proteintrênSiO 2 54

Hình 3.22 Thế zeta của nanosilica trước và sau khi hấp phụ protein ở pH 10 trong 1 mMKCl

55 Hình 3.23 Phổ FI-IR của vật liệu SiO 2 hấpphụprotein 56

Hình 3.24 Hấp phụ đẳng nhiệt của protein hấp phụ trên nanosilica ở các nồng độ muốinền KClkhácnhau

58 Hình 3.25 Đường động học theo mô hình giả bậc 1 của quá trình hấp phụ protein trênnanosilica tại các nồng độ proteinkhácnhau

60 Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn động học giả bậc 2 của protein hấp phụlênnanosilica 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng so sánh hấp phụ vật lý và hấp phụhóahọc 15 Bảng 3.1 Thành phần 18 axit amin trong bột protein tách chiết từ hạtChùmngây 35 Bảng 3.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hấp phụ L-Trpt r ê n nanosilica 39 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lực ion đến hấp phụ L-Trp trên nanosilica 41Bảng3.4.KếtquảkhảosátảnhhưởngcủalượngvậtliệuđếnhấpphụL-Trptrênnanosilica

43 Bảng3.5.KếtquảkhảosátảnhhưởngcủathờigianđếnhấpphụL-Trptrênnanosilica 44 Bảng 3.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến hấp phụ proteintrênnanosilica 48 Bảng 3.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lực ion đến sự hấp phụ proteintrênSiO 2 50 Bảng 3.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng vật liệu đến sự hấp phụ protein

trênnanosilica

51

Bảng 3 9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến sự hấp phụ protein trênSiO 2 53 Bảng3.10.Kếtquảkhảosátảnhhưởngcủanồngđộđầucủaproteintớikhảnănghấpphụproteintrênn anosilica

57

Bảng 3.11 Các thông số sử dụng trong mô hình 2 bướchấp phụ 58 Bảng 3.12 Các thông số mô hình động học hấp phụ của proteintrên 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 trongnướcsinhhoạt[8,10],trongkhinhiềuloạipolymetổnghợpcóđộctínhđãbịcấmsửdụng tại Nhật Bản

và Thụy Sỹ[12]

Chùmngây(Moringaoleifera)làmộtcâynhiệtđớithuộchọMoringaceaexuấtxứtừ vùng Nam

Á Hạt cây Chùm ngây chứa một lượng lớn protein có khối lượng phân tử là6

– 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 Chùmngâyvớimộtsốchấthoạtđộngbềmặtcũngđãđượcnghiêncứu[22,33,51].Vớihiệuquả xử lý nướccao, protein được tách chiết từ hạt cây Chùm ngây là chất tự nhiên có nguồn gốc thực vật, thânthiện với môi trường cũng như an toàn với sức khỏe có thể là giải pháp dần thay thế hoặc thay thếmột phần các chất keo tụ nhântạo

Vỏ trấu là một nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất sẵn có Từ vỏ trấu có thể dễdàngtổng hợp được vật liệu nanosilica (SiO2) Nanosilica đã được sử dụng trong xử lýnước vànước 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 raphương pháp biến tính bề mặt vật liệu nanosilica

Axit amin có tầm quan trọng lớn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất các hợpchất 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 nhaunhư khoáng chất [21, 55], zeolite [29, 49], than hoạt tính [50] và chất hấp phụ polymer[19].Nghiêncứuvềsựhấpphụaxitaminkhôngchỉcóthểgópphầnhiểurõhơnvềsựhấp phụ proteintrên 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 nanosilicatổnghợp.

Các nghiên cứu về hấp phụ xử lý kháng sinh sử dụng vật liệu nanosilica biến tínhbằng polyme mang điện đã được nghiên cứu một cách hệ thống tuy nhiên hấp phụ biếntính nanosilica bằng protein hay axit amin ứng dụng xử lý kháng sinh chưa được công bốtrongnướcvàquốctế.MộtnghiêncứuhệthốngvềhấpphụproteintáchchiếttừhạtChùm ngây trênnanosilica 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 dụngcác phương pháp phân tích là đặc biệtquan 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 liệunanosilica

Trêncơsởđó,đềtàitrongnghiêncứunàytậptrung:“Phântíchđặctínhproteinvà

axitamintrênbềmặtvậtliệunanosilicabằngcácphươngphápquangphổhiệnđại”.

do rễ non của cây có vị của cải ngựa, mù tạt), cây dùi trống (Drumstick tree, do thân/quảcây giống dùi trống), cây dầu bel (Bel-oil tree, do dầu ép từ hạt cây được bán với tên gọibel-oil)[1].

Hình 1.1 Các bộ phận của cây Chùm ngây

1.1.1.3 Phân bố sinhthái

Cây Chùm ngây có nguồn gốc ở vùng sơn cước Hi Mã Lạp Sơn ở Tây Bắc Ấn Độnhưng ngày nay được trồng rộng rãi ở Châu Phi, Trung Mỹ, NamMỹvà Đông Nam Á(Campuchia,Malaysia,Indonesia).ỞViệtNam,ChùmngâylàloàiduynhấtcủachiChùm ngây đượcphát 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 trướcđâycây ítđượcbiếtđến,cónơitrồngchỉđểlàmhàngrào.Chỉtrongvàichụcnămtrởlạiđâykhihạt cây từ nướcngoài 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 nênhiện nay, ở Việt Nam, cây Chùm ngây đã được trồng rất nhiều với quy mô lớn

1.1.2 Công dụng của cây Chùmngây

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 kaempferidenối 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)benzylglucosinolate (khoảng 1%) sau khi chịu tác động của myrosinase, sẽ cho 4-(alpha-L-rhamnosyloxy) benzyl isothiocyanate Glucotropaeolin (chừng 0.05%) sẽ chobenzylisothiocyanate

Hạt Chùm ngây chứa Glucosinolates (như trong rễ) có thể lên đến 9% sau khi hạtđãđượckhửchấtbéo.Cácacidloạiphenolcarboxylicnhư1-beta-D-glucosyl-2,6-dimethyl benzoate Dầubéo (20-50%) trong hạt Chùm ngây chứa phần chính gồm các acid béonhư oleicacid(60-70%),palmiticacid(3-12%),stearicacid(3-12%)vàcácacidbéokhácnhư behenic acid,eicosanoic và lignocericacid

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

- Vitamin C gấp 7 lần nhiều hơn tráiCam

- Vitamin A gấp 4 lần nhiều hơn Cà-rốt

- Calcium gấp 4 lần nhiều hơnsữa

- Chất sắt gấp 3 lần so với cải bóxôi

- Chất đạm (protein) gấp 2 lần nhiều hơn sữachua

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

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

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

- Hoa,lávàcànhnon,tráinonđềuluộcănđược,lạicókíchthíchtiêuhóavàcótính kháng sinh(nhờ chất lacton:ptyrigospermin)

Theo Y học cổ truyền nước ngoài thì các bộ phận củacâynhư lá, rễ, hạt, vỏ cây,quảvàhoacónhữnghoạttínhnhưkíchthíchhoạtđộngcủatimvàhệtuầnhoàn,hoạttính chống u-bướu, hạ nhiệt, chống kinh phong, chống sưng viêm, trị ung loét, chống co giật,lợitiểu,hạhuyếtáp,hạcholesterol,chốngoxy-hóa,trịtiểuđường,bảovệgan,khángsinh và chốngnấm Cây đã được dùng để trị nhiều bệnh trong Y học dân gian tại nhiều nước trong vùngNamÁ

Theo Y học cổ truyền Việt Nam thì cành lá cây Chùm ngây luộc ăn hay sắc uốngkích thích tiêu hóa, kiện vị, trị tiêu chảy, kiết lỵ, viêm phổi Rễ Chùm ngây sắc uống, cótác dụng kiện vị; giã đắp làm sung huyết (tụ máu) thay cải Mù tạc trị thấp khớp Rễ câyChùm 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.

NghiêncứutạiĐHBaroda,Kalabhavan,Gujarat(ẤnĐộ)vềhoạttínhtrêncácthông số lipid của quảChùm 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 DensityLipoprotein - Lipoprotein mật độ thấp) hạ tỷ số cholesterol/ phospholipid trong máu so với thỏ trong nhómđối chứng Khi cho thỏ bình thường dùng Chùm ngây hay Lovastatin: mức HDL (High DensityLipoprotein) 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 thấykhả 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 cóchứaproteinchuyêndụngchodavàtóc.Dầucủahạtcònđượcứngdụngtrongcôngnghiệp mỹ phẩm HạtChùm 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 trêndịchchiếtEtOHvàtinhdầucủalávàhạtChùmngây.Kếtquảchothấychúngcóhoạttính diệt được

nấm gây bệnh loạiTrichophyton rubrum, Trichophyton mentagophytes,Epidermophyton

floccosum và Microsporum canis[15].

HạtChùmngâytuynhỏbé,kíchthướcchỉnhưhạtđậuphộng,nhưngcóhàmlượng

dưỡngchấtrấtlớn.HạtcâyChùmngâychứa mộtlượnglớnproteincókhốilượngphântử là 6 –13kDa

1.2.1 Cácnghiên cứu trong nước

Trong nước, một số nhóm nghiên cứu sử dụng hạt Chùm ngây thành vật liệu xử lýnước Tác giả Võ Thị Hồng và cộng sự đã nghiên cứu đánh giá hiệu quả làm trong nướccủahạtcâyChùmngâybằngmộtloạtthựcnghiệmthựchiệnbằngbìnhchứatrêncácmẫu nước đụcnhân tạo và tự nhiên Kết quả nghiên cứu cho thấy hạt cây Chùm ngây trồng và thu hái ởViệt Nam có khả năng làm giảm khoảng 80% độ đục của nước nhân tạo, ngay cả khi độđục ban đầu chỉ là 50 NTU Khi sử dụng hạt Chùm ngây để thực hiện quá trình keo tụ vớinước sông, hiệu quả giảm độ đục đạt được khoảng 50% đối với nước có độđục trung bình (44NTU) nhưng lên tới 76% với nước có đục cao (170 NTU)[5]

1.2.2 Cácnghiên cứu ngoài nước

Hạt Chùm ngây có tính chất keo tụ Để nghiên cứu tính chất keo tụ của hạt Chùmngây 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 giaothoa tại bề mặt phân cách pha rắn - lỏng Các neutron bị phân tán bởi các hạt nhân và chỉsốkhúcxạneutronkhôngchỉphụthuộcvàosốlượnghạtnhânmàcònvềcáchchúngphân tán mạnh mẽ.Hơn nữa, vì tia X và neutron có bước sóng ngắn, nó có độ phân giải cỡ nanomet, khi chiếu vàokhông bị phá hủy và nó có thể được áp dụng cho các giao diện bịchônvùi,nhữngthứkhôngdễtiếpcậnvớicáckỹthuậtkhác.Ngoàira,nócungcấplợithế mà sự thaythế đẳng hướng có thể được sử dụng để đạt được độ tương phản lớn trong mật độ chiều dàitán xạ Phản xạ Neutron hiện đang được sử dụng cho các nghiên cứu hóa học bề mặt (chấthoạt động bề mặt, polyme, lipit, protein và hỗn hợp hấp phụ ở dạng lỏng / lỏng và giao diệnrắn / lỏng), từ tính bề mặt (ultrathin Màng Fe, từ tính đa lớp, chất siêu dẫn) và phim rắn (phimLangmuir- 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 proteinChùm 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 củaproteintáchchiếttừhạtChùmngâytrênsilicađểlàmsángtỏcơchếhoạtđộngcủaprotein

nhưmộtchấtkếttụ.NghiêncứusửdụngphảnxạNeutronđểxácđịnhcấutrúcvàthành

phần của các lớp hấp phụ trên bề mặt tiếp xúc protein/silica Các lớp hấp phụ protein trênsilica đã được xác định chứa khoảng 5,5 mg/m2với nồng độ protein trên 0,025% Các lớpprotein hấp phụ đa lớp cho thấy tương tác giữa các phân tử protein khá mạnh Sự hấp phụmạnh của protein kết hợp với xu hướng liên kết của protein đặc tính như một chất keo tụcủa protein trong hạt Chùm ngây [32].

Maja S Hellsing cùng các cộng sự (2014) đã nghiên cứu về sự keo tụ của proteinđược tách chiết từ hạt Chùm ngây như là một chất kết dính hiệu quả cho các hạt phân tántrong nước, hấp dẫn như một sản phẩm tự nhiên và bền vững để sử dụng trong lọc nước.NghiêncứusửdụngphươngphápphảnxạNeutronvớimộtmôhìnhhệthốnggồmcáchạt polystyrenlatex và tán xạ neutron góc siêu nhỏ để xác định sự hấp phụ lên bề mặt củaproteinvàhiệntượngkeotụ.Tánxạneutrongócsiêunhỏkhaithácsựtươngphảncủacáchạt

polystyren latex phân tán trong D2O để làm nổi bật liên kết protein đã cho thấylượngprotein hấp phụ đạt khoảng 3 mg/m2[20]

M Pritchard và các cộng sự (2010) đã nghiên cứu so sánh hiệu suất xử lýnướccủabột hạt Chùm ngây với muối nhôm Al2(SO4)3và muối sắt Fe2(SO4)3 Một loạt cácthửnghiệm bình chứa được thực hiện bằng cách sử dụng nước tự tạo, các nguồn nướcthực khácnhauvànướcchứahỗnhợpcủacảhailoạinướcnày.Kếtquảchothấybộthạt Chùm

E colivà 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 lýnước 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 nặngbằng bột hạt Chùm ngây Trong nghiên cứu này, bột hạt Chùm ngây đã được sử dụng nhưmột chất hấp phụ tiềm năng để loại bỏ Cu (II) và Pb (II) khỏi dung dịch nước Điều kiệnhấpphụtốiưuthuđượcbaogồmpHchosựhấpphụcủaCu(II)là6,5trongkhiđóPb(II) là 5,5 Thờigian hấp phụ với Cu (II) là 30 phút và Pb (II) là 40 phút Phân tích phổhồng

ngoạiFT-IRchothấysinhkhốihạtChùmngâyđãloạidầucósựhiệndiệncủaaminoaxit, carboxyl, cácnhóm 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 hoạttính như một chất keo tụ thân thiện với môi trường trong tăng cường xử lý nước thải nhàmáygiấy.HiệusuấtcủabộthạtChùmngâylàmgiảmđộđụcvàgiảmchỉsốCODđãđược nghiên cứu

và so sánh với muối nhôm sunfat Kết quả thu được cho thấy hiệu quả loại bỏ độ đục đạt96,02% khi sử dụng 150 mg/L bột hạt Chùm ngây, trong khi tỉ lệ giảm độ đục tối đa là99,53% thu được với lượng muối nhôm 300 mg/L Ngoài ra, mức giảm COD tốiđalà97,28%và93,31%.đãthuđượckhisử dụng150mg/LcủahạtChùmngây,vàlượng muối nhôm

300 mg / L Nghiên cứu đã chứng tỏ bột hạt Chùm ngây là một vật liệu thích hợp và thay thếchất keo tụ truyền thống trong xử lý nước hướng tới tiêu chí an toàn cho sức khỏe conngười[13]

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

TryptophanrấtcầnthiếtchoviệcsảnxuấtvitaminB3,vitaminB6biotin,vitaminC và kẽm đểtạo thành các enzym cần thiết cho các phản ứng chuyển đổi trong cơ thể.Tryptophantăngcườngthưgiãnvàgiấcngủ,giúplàmdịuthầnkinhvàlolắngvàlàmgiảm

cảmgiácthèmăn.Tryptophangiúpkiểmsoáthoạtđộngthoáihóaởtrẻem,làmgiảmcăng

thẳngvàtăngcườnghormonetăngtrưởngcầnthiếtđểsảnxuấtvitaminB6.Tryptophanlà một axitamin 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, đậuphộng

Tryptophan - axit amin chiral là một trong những phân tử sinh học quan trọng nhấtbởivìsựliênquancủachúngtrongtựnhiênvàsựphongphúhóahọccủachúng.Cácaxit

aminchiralcóhaiđồngphânquanghọc(khôngthaythếhìnhảnhphảnchiếu),đượcgọilà D / L (theocấu hình), R / S (theo cấu hình) và ± (bằng hoạt động quang học) Trong tựnhiên,axitaminđaphầnởdạngLcóvaitròquantrọngtrongngànhcôngnghiệpthực

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 liệunanosilica

Silicalàtênthườnggọicủasilicđioxit(SiO2),cócấutrúcmạnglướikhônggianđachiều,mỗinguyêntửsilicnằmtrongtâmtứdiệntạobởicácđỉnhchứanguyêntửoxi.Nếu các tứ diện này đượcsắp xếp đều đặn và có trật tự sẽ thu được silica tinh thể, ngoài ra còncócấutrúcvôđịnhhình.Phântửnàyluônluôntồntạiởphântửlớnmàkhôngởdạngđơn lẻ

Cách ghép các tứ diện trong cấu trúc của SiO2được 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 (thạchanh,tridimit và cristobalit) Mỗi dạng thù hình lại có 2 đến 3 dạng thứ cấp: α và β Ba dạngthùhình của silica có cách sắpxếp khác nhau tại các nhóm tứ diện SiO4ở trong tinh thể Ởthạchanhα,gócliênkếtSi-O-Sibằng1500,ởtridimitvàcristobalitbằng1800.Trongthạchanh,nhómtứdiệnSiO4cónguyêntửSinằmtrênmộtđườngxoắnốc,tươngứngtại2dạngαvàβ.ĐểchuyểntừthạchanhsangcristobalitcầnchuyểngócSi-O-Sithành1800,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 trongcông nghệ và kĩthuật

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

Tại Việt Nam, đã có một vài nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica hấp phụcác ion vô cơtrong 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 môitrường 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

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 thuốcnhưmicelles,liposomevàhạtnanopolymerđãđượcthiếtkếđểgiaothuốcđếncáccơquan

cụthể.Tuynhiênnhữngvậtliệunàylạigặpnhữnghạnchếnhưđộổnđịnhnhiệtvàbịloại bỏ nhanhchóng bởi hệ thống miễn dịch Ngược lại, nanosilica cung cấp một sự thay thế tương thích sinhhọc ổn định Các phân tử hoạt tính sinh học có thể dễ dàng gói gọn trongnanosilica.Trongsốcácquytrìnhtổnghợpkhácnhau,phươngphápsol-gelchophépsản xuất hạtnanosilica với thuốc đồng nhất phân phối và cho phép xử lý nhiệt độ môi trườngcầnthiếtđểxửlýsinhphẩm,trongđókiểmsoátkíchthướcđộclậpvàtỷlệpháthànhthuốc có thể dễ dàngđạtđược

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 phươngpháp sol – gel Sự kết hợp của kháng sinh gentamicin vào ma trận silica đã được chứngminh bằng phổ hồng ngoại FT-IR Số lượng thuốc được phát hành cao hơn so với nhiềuvật 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 kỹthuật

So với các hạt nano khác, nanosilica có ưu điểm là dễ phân tán hơn trong cácpolyme Với những tính chất bề mặt đặc trưng hạt nanosilica đã được rất nhiều nhà khoahọc nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocompozit Các lớp phủ nanocompozit trên cơ sởacrylat/nanosilica cũng được ứng dụng rộng rãi cho các lớp ngoài cùng của vỏ máy, cácloạivántrượt.Nhờkhảnăngchịumàimòncaovàgiữđượcnguyênvẹntínhtrongsuốtvà

cơ học của lớp phủ[46]

Với đặc tính có độ cứng cao, bền nhiệt, chống cào xước, phân tán tốt, xốp, dễ hấpphụnênhạtnanosilicađượcsửdụngđểmangcácchấtứcchếănmòn.A.H.Jafarivàcộng sự đã nghiêncứu khả năng bảo vệ đồng của nano silica mang ức chế ăn mòn Các lỗ rỗngnanocóthểchứachấtứcchếănmònbenzotriazolvàứcchếănmòncóthểđượcgiảiphóng trong dung dịchvới sự kiểm soát[26]

Việc sử dụng hạt nanosilica nhằm tăng cường các tính năng cho lớp phủ hữu cơngày càng rộng rãi do nano silica không làm ảnh hưởng tới cấu trúc màng Zahra Ranjbarcùng 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 ănmòn, lớp sơn ô tô vẫn giữ được được độ bóng và màu sắc sau nhiều năm sử dụng Khi hạtnanosilica 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 nanosilicabiến tính đến tính chất của lớp phủ nano SiO2/polyuretan Kết quả cho thấy, các hạtnanoSiO2biếntínhvớisilanhữucơcóthểđượcphântántốttrongnềnpolyuretanlàmtăngkhả năng bảo

vệ chống ăn mòn[17]

1.5.3 Ứng dụng trong công nghệ môitrường

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 từnanosilica 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 phápkínhhiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ Rơnghen XRD, hấp phụ N2và phổ hồng ngoạiFT-IRđã được sử dụng để mô tả cấu trúc của hạt nano trước và sau khi thiol hóa Hiệuquả hấp phụ phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của kim loại nặng và thời gian tương tác đãđược nghiên cứu Động học hấp phụ theo phương trình giả bậc hai và các đường đẳngnhiệt Sip và Redlich - Peterson đã được áp dụng cho các dữ liệu cân bằng hấp phụ Cácnghiên cứu cho thấy thiol-nanosilica có thể được sử dụng để loại bỏ có chọn lọc các iontrong 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 tínhbằng polyelectrolyte polydallyldimethylammonium clorua (PDADMAC) để xử lý khángsinh amoxicillin (AMX) trong môi trường nước Nanosilica được nghiên cứu bằng cácphương pháp nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và kính hiển viđiệntử quét (SEM) Cơ chế hấp phụ của PDADMAC trên SiO2được thảo luận trên cơ sởthayđổi điện tích bề mặt, đánh giá bằng thế zeta , thay đổi nhóm chức bề mặt bằng phổhồng ngoạibiếnđổiFourier(FTIR).Cácđiềukiệnthínghiệmnhưthờigiantiếpxúc,pHvàdunglượngvậtliệuhấpphụđểloạibỏAMXsửdụngnanosilicabiếntínhvớiPDADMACđược tối ưu hóamột cách có hệ thống và được tìm thấy là 180 phút, pH 10 và lượng vật liệu 10 mg/mL Hiệu quảloại bỏ AMX bằng nanosilica biến tính PDADMAC đạt 92,3% trong điều kiện hấp phụ tốiưu[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 thìchưa được nghiên cứu hệ thống và công bố trong nước và quốc tế

1.6.1 Cơsở lý thuyết của quá trình hấpphụ

1.6.1.1 Bản chất của quá trình hấpphụ

Hấpphụlàsựtíchlũychấttrênbềmặtphâncáchgiữahaipha(rắn–lỏng,rắn–khí) Chất có bềmặt trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, chất được tíchlũytrên bề mặt gọi là chất bịhấp phụ Sự giải hấp là quá trình ngược với hấp phụ khi chất đi ra khỏi bề mặt [6]

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 Phụ thuộc vào bản chất hóa học bề mặt Đòi hỏi phải có ái lực

hóa họcTính thuận nghịch Là hấp phụ thuận nghịch, hay trạng

thái cân bằng là cân bằng động

Thuận nghịch của hấp phụhóa 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 hấpphụ

ẢnhhưởngcủapH:pHcủadungdịchcóvaitròđặcbiệtquantrọngđốivớihấpphụ các chất hayhợp chất mang điện, vì pH có ảnh hưởng trực tiếp đến điện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ cũngnhư trạng thái mang điện của chất bị hấpphụ

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 mặtkhông phân cực Ngoài ra, độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởng tới khả năng hấp phụcủa 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 vàocủa chất hấp phụ Dung lượng hấp phụ cũng phụ thuộc vào diện tích bề mặt riêng của vậtliệuhấpphụ.Diệntíchbềmặtriêngcànglớnthìkhảnăngtiếpxúcgiữachấtbịhấpphụvà chất hấp phụcàng lớn, do đó khả năng hấp phụ càng tăng Ngoài ra, đối với hấp phụ các hợp chất mangđiện, điện tích tỉ trọng điện tích bề mặt đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấpphụ

Ảnh hưởng của dung môi: Hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, khichấttanhấpphụcàngmạnhthìdungmôihấpphụcàngyếuvàngượclại.Vìvậy,đốivớisựhấp phụ chất tan từdung dịch thì dung môi nước sẽ tốt hơn dung môi hữucơ.

Ảnhhưởngcủanhiệtđộ:Khinhiệtđộtăng,sựhấpphụtrongdungdịchgiảmnhưng ở mức độthấp hơn so với hấp phụ khí Tuy nhiên, đối với cấu tử có độ tan hạn chế khi nhiệt độ tăng thì khảnăng hấp phụ tăng lên vì nồng độ của nó trong dung dịch tănglên

Mô hình hấp phụ hai bước giả định rằng sự hấp phụ của chất hấp phụ trên bề mặtvậtliệuhấpphụxảyratheohaibước[56].Ởbướcđầutiên,cácchấthấpphụhấpphụtrên

bềmặtrắnbởilựchúttĩnhđiện.Trongbướcthứhai,sựhấpphụtănglênđángkểvìdoquá trình tạo liênkết 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 =∞ 𝑘1 𝐶𝑒(1+

𝑘𝑛

𝐶𝑒𝑛−1) (1.1)

1 + 𝑘1𝐶𝑒(1 + 𝑘2𝐶𝑒𝑛 −1)Trong đó:

Γ: Dung lượng hấp phụ (mg/g)

Γ∞: Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

2

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

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

1.6.2.2 Mô hình hấp phụLangmuir

MôhìnhhấpphụLangmuirđượcđềxuấtbanđầuđểmôtảsựhấpphụcủacácphân

tửkhílênbềmặtkimloại.PhươngpháphấpphụLangmuirsauđóđãđượcứngdụngthành công cho nhiềuquá trình hấp phụ đơn lớp khác nhau Mô hình hấp phụ của Langmuir giảthiếtrằngcáclựctươngtácgiữacácphântửgiảmnhanhvớikhoảngcáchvàdođódựđoán sự tồn tại của lớpphủ đơn lớp của chất hấp phụ ở bề mặt ngoài của chất hấp phụ Phươngtrìnhđẳngnhiệttiếptụcgiảthiếtrằngsựhấpphụdiễnratạicácvịtríđồngnhấtcụthểbên trong chấthấpphụ

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

Ce : Nồng độ chất hấp phụ tại thời điểm cân bằng

𝑄𝑒=𝐾𝑓.𝐶𝑒1/𝑛 (1.3)

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

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

- Giaiđoạnkhuếchtántronglỗxốp(đốivớivậtliệuxốp):Phântửchấtbịhấp phụchuyển động đến bề mặt ngoài của chất hấp phụ chứa các lỗxốp

- Giaiđoạnhấpphụ:Cácphântửchấtbịhấpphụchiếmchỗcáctrungtâmhấp

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 2được 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]:

Trongđó:

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

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

k1là hằng số tốc độ của mô hình giả bậc 1

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

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

k2là hằng số tốc độ của mô hình giả bậc 2 (g/mg.phút)t

là thời gian hấp phụ (phút)

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.1 Đối tượng nghiêncứu

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

2.2 Mục tiêu nghiêncứu

a, Mục tiêu tổng quát

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

b, Mục tiêu cụ thể

●Quy trình chế tạo vật liệu nanosilica từ vỏ trấu Đặc tính cấu trúc và bề mặt củananosilicabằngcácphươngphápvậtlývàhóalýhiệnđạibaogồmnhiễuxạRơnghen (XRD), phổhồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và xácđịnh diện tích bề mặt BET

● QuytrìnhtáchchiếtproteintừhạtChùmngây.Địnhtínhproteintáchđượcbằngphản ứng biure vàphổ hồng ngoại (FT-IR), sắc ký lỏng hiệu năng cao(HPLC)

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

+ 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 trênvật liệunanosilica

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phươngpháp quang phổ hấp thụ phân tửUV-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 hợpchiếuvàocácphântửthìcácđiệntửhóatrịtrongcácliênkếtsẽhấpthụnănglượngchùm sáng chuyểnlên trạng thái kích thích với năng lượng cao hơn Sự hấp thụ ánh sáng này là nguồn gốc sinh

𝐶𝑖

(2.1)

Trongđó:CivàCetươngứnglànồngđộL-Trpvàprotein(g/L)ởthờiđiểmbanđầuvà sau khi hấpphụ t phút Nồng độ L-Trp và protein trong các dung dịch mẫu được định lượng bằng phổUV-Vis sử dụng phương pháp đườngchuẩn

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

Γ (mg/g) =𝐶𝑖 −𝐶𝑒

× 1000

vàL-Shimadzu,NhậtBản)tạibộmônHóaphântích,KhoaHóahọc,TrườngĐạihọcKhoahọc Tự Nhiên,Đại học Quốc gia HàNội

2.3.2 Phươngpháp phổ hồng ngoạiFT-IR

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

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

Dựavàotầnsốđặctrưnghaysốsóngcủacácliênkếtthuđượctrênphổhồngngoại có thể xácđịnh được nhóm chức và cấu trúc vậtliệu

Protein tách chiết từ hạt Chùm ngây và vật liệu nanosilica sau khi tổng hợp và saukhibiếntínhđượcđophổhồngngoạitrênthiếtbịđophổhồngngoại biếnđổiFourierFT- IR(Affinity-IS, Shimadzu, Nhật Bản) tại bộ môn Hóa học vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đạihọc Khoa học Tự nhiên HàNội

Điều kiện đo:

- Chế độ đo: % truyềnqua

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

- Độ phân giải: 4cm-1

2.3.3 Phươngpháp kính hiển vi điện tử truyền quaTEM

Hiển vi điện tử là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao để khảosát những vật thể rất nhỏ Kết quả thu được qua khảo sát này phản ánh về mặt hình tháihọc,diệnmạohọcvàtinhthểhọccủavậtliệumàcầnxácđịnh[23].Phươngdiệnhìnhthái học bao gồmhình dạng và kích thước của hạt cấu trúc nên vật liệu Diện mạo là các đặctrưngbềmặtcủamộtvậtliệubaogồmkếtcấubềmặtvàkíchthướcchínhxáccủavậtliệu Phương diệntinh thể học mô tả cách sắp xếp của các nguyên tử trong vật thể như thế nào.Cáchsắpxếpcủacácnguyêntửmộtcáchcótrậttựsẽảnhhưởngđếncáctínhchấtnhưđộ dẫn, tính chấtđiện và độ bền của vậtliệu

Một lượng nhỏ (khoảng 5μL) của các mẫu vật liệu được phân tán trong dung dịchL) của các mẫu vật liệu được phân tán trong dung dịchđược mang lên màng colodion hoặc cell đo bằng màng kim loại ngay sau khi bị phân tánbởisóngsiêuâmítnhất20phút.Màngđãđượcsấykhôítnhấtmộtđêm.Sauđó,ảnhTEM

đượcchụpvớicácđộphângiảikhácnhauđểxácđịnhđặctínhkíchphânbốthướchạtcủa vậtliệu

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 Phươngpháp nhiễu xạ RơnghenXRD

Phương pháp XRD được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu.Phươngphápcóthểxácđịnhnhanh,chínhxáccácphatinhthểvớiđộtincậycao.Nguyên lý củaphương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thước tinh thểlên phổ nhiễu xạ Mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theomột trật tự nhất định Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron (Å ) xấp xỉ vớibước sóng của tiaRơnghen

Giao thoa là hiện tượng tăng cường biên độ giao động ở những điểm này trongkhông gian và làm giảm cường độ giao động ở những điểm khác trong không gian do sựchồng 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 vớimặt phẳng trên một góc θ Để các tia phản xạ có thể giao thoa thì hiệu quang trình phảibằng một số nguyên lần bước sóng λ Khoảng cách giữa các mặt mạng là d, điều kiện đểvân 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 vàtỷlệcường độ phổ ghi được với phổ chuẩn Để tăng độ chính xác, một lượng nhỏ chất chuẩnthườngđượctrộnvàosauđóđưavạchchuẩntớiđúngvịtrícủanó.TừphổnhiễuxạtiaX, có thể thuđược các thông tin cơ bản về cấu trúc vật liệu như: cấu trúc tinh thể, kích thước tinh thể, cóhay không pha vô định hình, tính đốixứng

VậtliệunanosilicaSiO2saukhitổnghợptừvỏtrấuđượcxácđịnhcấutrúcbằngđophổXRDtrênthiếtbịnhiễuxạRơnghenXRD,D8Advance,Bruker,ĐứctạibộmônHóa học vô cơ, Khoa Hóahọc, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên HàNội

2.3.5 Phươngpháp đo diện tích bề mặt riêngBET

Phương pháp này dựa trên việc xác định lượng khí cần thiết để phủ lên bề mặt vậtliệucủacáclớpđơnphântử(hấpphụđalớp).Lượngkhíđượcxácđịnhtừđườnghấpphụ đẳng nhiệtcủa nitơ lỏng (77,4 K) theo lý thuyết của Brunauer-Emmett-Teller (BET).TừđóN2b ịhấpphụbằnghấpphụvậtlýtrênbềmặtchấthấpphụrắn.LượngN2h ấ pphụở

một áp suất cho trước được xác định bằng phép đo thể tích hoặc khối lượng Từđườngcong hấp phụ (và giải hấp) N2có thể tính toán được diện tích bề mặt vật liệu theo

mô hìnhBET [11]

Dựavàocácgiảthuyết,BETđãthiếtlậpphươngtrìnhmôtảsựhấpphụđalớpphân tử tương tự nhưcách thiết lập phương trình Langmuir nhưng có tính đến sự cân bằng hấp phụ giữa các lớp phân tử bịhấpphụ

2.3.6 Phươngpháp tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏtrấu

Nanosilicađượcchếtạotừvỏtrấukhô.Vỏtrấusấykhôđượcnghiềnthànhbộtmịn Cân khoảng

80 g vỏ trấu trong cốc thuỷ tinh dung tích 1 lit có chứa 386 g nước cất hai lầnvà 14 g axitsunfuric đặc (H2SO498%), khuấy trong 5 giờ ở 1500C trên máy khuấy tử gianhiệt Saukhi 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 vềnhiệt

độ phòng sẽ được rửa lần 2 lần bằng axit H2SO4loãng 5% Sau mỗi lần rửa vật liệuđượcrửa kĩ bằng nước cất và nung lại ở ở 8000C trong 15 giờ để hoạt hóa bề mặt vật liệu Cuốicùng mẫu được để nguội trong bình hút ẩm desicator trước khi bảo quản trong lọ PEsạch[39]

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

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

tổnghợp từ vỏ trấu (Ảnh phải)

2.3.7 Phươngpháp tách chiết, tinh chế protein từ hạt Chùmngây

2.3.7.1 Tách chiết protein

QuátrìnhtáchchiếtproteincóthamkhảotheophươngphápcủaNdabigengeserevà Narasiah[34] Hạt Chùm ngây được bóc loại vỏ, thu lấy nhân Nhân hạt Chùm ngây được sấy ở 400Ctrong 3-5 ngày sau đó được nghiền nhỏ thành bột bằng máy xay gia dụng Cân khoảng50g bột hạt trong bình tam giác 250 ml có chứa 100 ml ete dầu hỏa, cho lắc trênmáylắcđểchiếtloạibỏdầu.Quátrìnhchiếtlặplại3-4lần,mỗilầnchiếtvới50mletedầu hỏa Chất rắnthu được sau khi chiết loại bỏ dầu được hòa tan trong 200 ml nước cất hai lần và lọc qua giấylọc lấy dịch lọc Dịch lọc được chiết lỏng -lỏng bằng dung môi etedầu hỏa để loại sạch dầu Chiết 2-3 lần,mỗi lần chiết với 10 ml ete dầu hỏa Kết tủa proteinbằng cách thêm từ từ muối amoni sunfat (NH4)2SO4vàodịch lọc cho đến khi dung dịchbão hòa Sau đó tách bằng ly tâm lạnh thu được kếttủaprotein

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.Proteinchỉcóthểđượcgiữởdạngkhôtrongtrườnghợpnếuviệclàmkhôđượctiếnhànhrấtnhanh

hoặcởnhiệtđộrấtthấp(đôngkhô).Kếttủathuđượcbằngcáchđóđemxửlýbằngaceton và sau đólàm khô thật nhanh thì protein sẽ không bị biến tính Ở dạng khô, bột protein cóthểbảoquảntrongmộtthờigianlâu,khihòatannótrongnướcnóthểhiệnnhữngtínhchất

- Hạt Chùm ngây được mua ở HàNội.

- Axit HCl 37 % và axit H2SO498%, p.A – Scharlau, Tây BanNha

- Các hóa chất khác như: KOH, KCl, ete dầu hỏa, (NH4)2SO4đều là loại tinh

- Thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (Hitachi High-Technologies

Corporation, H7650, NhậtBản)

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

- Máy rung siêu âm, có gia nhiệt của hãng BRANSONIC521

- Máy lắc Orbital DIGISYSTEM, OS3-18040010 (ĐàiLoan)

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

- Thiết bị lọc nước deion Labconco(Mỹ)

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

- Tủ lạnh Sanaky VH-2899W dùng bảo quảnmẫu

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

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

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

- DungdịchKCl1M:Cân7,4560gKCl,hòatantrongnướccấthailần,hòatanbằng nước cất hai lần, định mức 100ml

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

ml nước cất hailần

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

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1. Đặc trưng của vật liệu nanosilica được tổng hợp từ vỏtrấu

3.1.1 Phổ hồng ngoại(FT-IR)

Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại FT-IR được sử dụng để chứng minh sự cómặt của các nhóm chức trong cấu trúc vật liệu nanosilica Phổ hồng ngoại của mẫu đượcghi 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-1ở điềukiện 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

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

PhổhồngngoạiFT-IRcósựxuấthiệncácpictại1035,77cm-1;812,03cm-1;4 7 0 , 6 3 c m-1đặctrưng cho các dao động hóa trị bất đối xứng, dao động hóa trị đối xứng vàdaođộngbiếndạngcủaliênkếtSi-O-SitrongphântửSiO2[25].Sựxuấthiệnpicchânrộngtại3466,08

cm-1và pic nhỏ tại 1633,71 cm-1đặc trưng cho dao động của nhóm –OH Khôngcóđỉnhnàotìmthấyởgiữasốsóng2500và3000cm-1,chứngtỏlàkhôngcóhợpchấtgốc hữu cơ tồn tạitrong bột silica Kết quả phổ FT-IR cho thấy sự xuất hiện các liên kết Si-O- Si của vật liệusilica [25,40]