Nghiên cứu phương pháp tách và đánh giá hiệu quả loại bỏ kháng sinh beta lactam sử dụng silica biến tính từ vỏ trấu

Hiện nay đã có nhiều công trình khoa học đã nghiên cứu xử lý họ β – lactam bằng các phương pháp khác nhau như hấp phụ, xúc tác quang hoá, oxi hoá tiên tiến,…Trong đó, hấp phụ là một tron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

BÙI THỊ KIỀU VÂN

NGUYÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÁCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LOẠI BỎ KHÁNG SINH BETA LACTAM

SỬ DỤNG SILICA BIẾN TÍNH TỪ VỎ TRẤU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

BÙI THỊ KIỀU VÂN

NGUYÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÁCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LOẠI BỎ KHÁNG SINH BETA LACTAM

SỬ DỤNG SILICA BIẾN TÍNH TỪ VỎ TRẤU

Chuyên ngành: HÓA PHÂN TÍCH

Mã số: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TẠ THỊ THẢO TS PHẠM TIẾN ĐỨC

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Tiến Đức đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Hóa Phân tích nói riêng

và trong khoa Hóa học nói chung đã dạy dỗ, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt thời gian tôi học tập và làm việc tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội

Tôi cũng cảm ơn các phòng thí nghiệm khoa Hóa học – trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thí nghiệm

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, các anh chị em học viên, sinh viên của Bộ môn Hóa phân tích đã luôn động viên tinh thần, tận tình giúp đỡ em trong thời gian học tập và thực hiện khóa luận này

Nghiên cứu trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 104.05-2016.17

Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2017

Học viên

Bùi Thị Kiều Vân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 19

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về kháng sinh họ β-lactam 3

1.1.1 Giới thiệu chung họ kháng sinh β-lactam 3

1.1.2 Kháng sinh Amoxicillin 3

1.1.2.1 Phổ tác dụng 4

1.1.2.2 Dược động học 4

1.1.2.3 Tính chất vật lí – hóa học 5

1.1.2.4 Tính chất quang học 6

1.1.2.5 Cơ chế kháng thuốc 6

1.1.2.6 Độc tính và tai biến 6

1.1.3 Kháng sinh Cefixime 7

1.1.3.1 Phổ tác dụng 7

1.1.3.2 Dươc động học 8

1.1.3.3 Tính chất vật lí – hóa học 8

1.2 Các phương pháp phân tích kháng sinh họ β-lactam 8

1.2.1 Các phương pháp quang phổ 8

1.2.1.1 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV –Vis) 8

1.2.1.2 Phương pháp huỳnh quang phân tử 10

1.2.2 Các phương pháp điện hóa 11

1.2.3 Các phương pháp sắc ký 12

1.2.3.1 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) 12

1.2.3.2 Phương pháp sắc ký điện di mao quản 15

1.3.1 Phương pháp sinh học 17

1.3.2 Phương pháp oxi hóa tăng cường 17

1.3.3 Phương pháp hấp phụ 19

1.3.3.1 Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ 19

1.3.3.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 21

1.3.3.3 Lý thuyết mô hình 2 bước hấp phụ 22

1.3.3.4 Một số công trình xử lý kháng sinh bằng vật liệu hấp phụ 23

1.4 Giới thiệu về vật liệu Silica 25

1.5 Giới thiệu polyme mang điện 27

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 28

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 28

2.2 Nội dung nghiên cứu 28

2.3 Phương pháp nghiên cứu 29

2.3.1 Phương pháp đánh giá vật liệu 29

2.3.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 31

2.3.2.1 Nguyên tắc của phép đo 31

2.3.2.2 Các phương pháp định lượng 32

2.3.3 Phương pháp tổng hợp và biến tính vật liệu nanosilica 33

2.3.3.1 Tổng hợp vật liệu nanosilica từ vỏ trấu 33

2.3.3.2 Nguyên tắc biến tính vật liệu silica 34

2.4 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 36

2.4.1 Hóa chất 36

2.4.2 Thiết bị 36

CHUƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Đặc trưng của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 38

3.2 Biến tính bề mặt vật liệu nanosilica bằng hấp phụ polyme PDADMAC 39

3.3 Xây dựng quy trình phân tích kháng sinh 41

3.3.1 Chọn bước sóng đo phổ 41

3.3.2 Khảo sát khoảng tuyến tính 43

3.3.2.1 Khảo sát khoảng tuyến tính của AMO 43

3.3.2.2 Khảo sát khoảng tuyến tính của CEF 43

3.3.3 Xây dựng đường chuẩn 44

3.3.4 Đánh giá phương trình hồi quy của đường chuẩn 47

3.3.5 Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng 47

3.3.5.1 Giới hạn phát hiện (limit of detection –LOD) 47

3.3.5.2 Giới hạn định lượng (limit of quantity – LOQ) 47

3.4 So sánh khả năng xử lý kháng sinh AMO sử dụng 48

3.5.2 Khảo sát sát ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý AMO 50

3.5.3 Ảnh hưởng của lượng vật liệu tới hiệu suất xử lý AMO 52

3.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối nền KCl khi xử lý AMO 53

3.5.5 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 54

3.6 Khảo sát điều kiện hấp phụ xử lý kháng sinh CEF trên 56

3.6.1 Khảo sát thời gian hấp phụ xử lý kháng sinh CEF 56

3.6.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH tới khả năng xử lý CEF 58

3.6.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối KCl khi hấp phụ CEF 60

3.6.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ CEF 61

3.7 Đề xuất điều kiện tách AMO và CEF 63

3.8 Cơ chế hấp phụ kháng sinh AMO và CEF 64

3.8.1 Đánh giá sự thay đổi điện tích bề mặt vật liệu hấp phụ 64

3.8.2 Đánh giá sự thay đổi nhóm chức bề mặt bằng phổ hồng ngoại 66

3.9 Áp dụng quy trình hấp phụ tối ưu để xử lý kháng sinh 68

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Độ hấp thụ quang của kháng sinh AMO ở các nồng độ khác nhau 44

Bảng 3.2 Độ hấp thụ quang UV-Vis của kháng sinh 45

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý AMO theo thời gian 49

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH 51

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nền muối khi biến tính vật liệu tới khả năng xử lý AMO53 Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ đẳng nhiệt và hiệu quả xử lý kháng sinh AMO 55

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ tới hiệu quả xử lý CEF 57

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý CEF 59

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ muối KCl tới khả năng xử lý CEF 60

Bảng 3.10 Giá trị hấp phụ đẳng nhiệt CEF 62

Bảng 3.11 Tổng hợp điều kiện hấp phụ tối ưu AMO và CEF 63

Bảng 3.12 Kết quả xác định thế zeta của các mẫu ở các pH khác nhau 64

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của kháng sinh amoxicillin 4

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của kháng sinh cefixime 7

Hình 1.3 Cách ghép các tứ diện SiO2 25

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của polyme mang điện PDADMAC 27

Hình 2.1 Ảnh chụp vỏ trấu (a), vỏ trấu nghiền thành bột (b) 34

Hình 2.2 Cơ chế hấp phụ PDADMAC vào bề mặt vật liệu silica 35

Hình 2.3 Mức độ lưu giữ PDADMAC trên bề mặt vật liệu sau khi li tâm 35

Hình 2.4 Thiết bị quang phổ tử ngoại khả kiến 36

Hình 3.1 Giản đồ XRD của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 38

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại FT-IR của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 39

Hình 3.3 Ảnh SEM của vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu 39

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH tới hấp phụ polyme 40

Hình 3.5 Ảnh hường của nồng độ muối KCl 41

Hình 3.6 Phổ UV-Vis của kháng sinh AMO 42

Hình 3.7 Phổ UV-Vis của kháng sinh CEF 42

Hình 3.8 Đồ thị khảo sát khoảng tuyến tính của kháng sinh AMO 43

Hình 3.9 Khoảng tuyến tính của kháng sinh CEF 44

Hình 3.10.Đường chuẩn xác định AMO 45

Hình 3.11 Đường chuẩn xác định CEF 46

Hình 3.12 So sánh hiệu suất xử lý kháng sinh AMO …… 48

Hình 3.13 Ảnh hưởng của thời gian tới cân bằng hấp phụ AMO 50

Hình 3.14.Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý AMO 51

Hình 3.15 Ảnh hưởng của lượng vật liệu tới hiệu suất xử lý AMO 52

Hình 3.16 Ảnh hưởng của nền muối KCl 54

Hình 3.17 Hấp phụ đẳng nhiệt AMO 56

Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời gian tới cân bằng hấp phụ CEF 57

Hình 3.19 Ảnh hưởng của pH đến khả năng loại bỏ CEF 59

Hình 3.21 Hấp phụ đẳng nhiệt CEF trên vật liệu nanosilica 62

Hình 3.22 Ảnh hưởng của pH đến thế zeta của vật liệu 65

Hình 3.23 Phổ FI-IR của vật liệu SiO2 biến tính PDAMAC 66

Hình 3.24 Phổ FT-IR của vật liệu SiO2 67

Hình 3.25 Phổ FT-IR của vật liệu SiO2 67

Hình 3.26 Phổ UV của AMO trong mẫu nước thải bệnh viện 69

Hình 3.27 Phổ UV của CEF trong mẫu nước thải bệnh viện 69

Hình 3.28 Phổ UV của hỗn hợp AMO và CEF trong mẫu nước thải bệnh viện 70

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng việt

DPV Differential Pulse

Voltammetry

Phương pháp Von-Ampe hoà tan xung vi phân FT_IR Fourier transform –Infrared

spetroscopy

Phổ hồng ngoại biến đổi

Fourier HPLC High performance liquid

chromatography

Sắc khí lỏng hiệu năng cao

PDADMAC Polydiallyldimethylammonium

chloride

Chất hoạt động bề mặt

SWV Square Wave Voltammetry Phương pháp Vôn -Ampe

sóng vuông

UV – Vis Ultraviolet Visble Phổ hấp phụ phân tử UV-Vis

MỞ ĐẦU

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của Việt Nam đã thu được một số thành công nhất định và đã giúp đời sống của người dân được nâng cao Tuy nhiên, nguy cơ ô nhiễm môi trường trong đó có ô nhiễm nguồn nước bởi các chất thải hữu

cơ ngày càng trở nên nghiêm trọng Do đó, xử lý nước và nước thải chứa chất hữu

cơ gây ô nhiễm có ý nghĩa quan trọng đối với môi trường Trong số các nguồn thải hữu cơ phải kể đến một lượng không nhỏ dư lượng các kháng sinh có khả năng gây

ô nhiễm nguồn nước

Trong y học hiện đại, họ kháng sinh β - lactam được sử dụng khá phổ biến và

có giá thành rẻ Do đó, kháng sinh họ β – lactam đã và đang được dùng rộng rãi để chữa bệnh cho con người và động vật Amoxicillin (AMO) và Cefixime (CEF) là những kháng sinh có hoạt phổ rộng thuộc nhóm β- lactam và là hai trong số các kháng sinh thương mại khá quan trọng do tính kháng khuẩn cao và hiệu năng tốt Tuy nhiên, lượng dư kháng sinh AMO và CEF thải ra môi trường, đặc biệt là môi trường nước có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng Vì vậy, xử lý kháng sinh trong môi trường nước đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước Hiện nay đã có nhiều công trình khoa học đã nghiên cứu

xử lý họ β – lactam bằng các phương pháp khác nhau như hấp phụ, xúc tác quang hoá, oxi hoá tiên tiến,…Trong đó, hấp phụ là một trong số những phương pháp có hiệu quả cao và phù hợp đối với các nước đang phát triển khi sử dụng các nguồn nguyên liệu rẻ tiền hay vật liệu hấp phụ tự nhiên Vỏ trấu là nguồn phụ phẩm rất sẵn

có tại các nước nông nghiệp như Việt Nam Từ vỏ trấu có thể chế tạo được silica (SiO2) khá dễ dàng Tuy nhiên, silica từ vỏ trấu có khả năng hấp phụ kháng sinh không cao do diện tích bề mặt không quá lớn Ngoài ra, silica từ vỏ trấu thường có

bề mặt mang điện tích âm nhưng tỉ trọng điện tích nhỏ nên khả năng hấp phụ trực tiếp kháng sinh không cao Việc biến tính bề mặt silica bằng polyme mang điện

dương mạnh polydiallyldimethylammonium chloride (PDADMAC) đã được nghiên

cứu thành công để xử lý họ kháng sinh β-lactam Tuy nhiên, hấp phụ và xử lý kháng sinh họ β-lactam trên vật liệu silica chế tạo từ vỏ trấu và được biến tính bề mặt bằng

polyme PDADMAC là một hướng mới chưa được công bố trong và ngoài nước Trên cơ sở các điều kiện hấp phụ kháng sinh beta lactam khác nhau có thể nghiên cứu tách các kháng sinh trong môi trường nước

Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phương pháp tách và đánh giá hiệu quả loại bỏ kháng sinh beta lactam sử dụng silica biến tính từ vỏ trấu”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về kháng sinh họ β-lactam

1.1.1 Giới thiệu chung họ kháng sinh β-lactam

Kháng sinh là những chất kháng khuẩn (antibacterial substances) được chiết xuất từ các vi sinh vật, nấm được tổng hợp hay bán tổng hợp, có khả năng tiêu diệt

vi khuẩn hay kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn một cách đặc hiệu, có tác dụng lên

vi khuẩn ở cấp độ phân tử, thường là một vị trí quan trọng của vi khuẩn hay một phản ứng trong quá trình phát triển của vi khuẩn

Nhóm β-lactam là một họ kháng sinh rất lớn, bao gồm các kháng sinh có cấu trúc hóa học chứa vòng lactam gắn với các nhóm chức khác nhau ở vị trí β Khi vòng này liên kết với một cấu trúc vòng khác hình thành các phân nhóm khác [1]

Họ kháng sinh β-lactam gồm các nhóm: penicillin, cephalosporin, monobactam, cacbapenem trong đó hai nhóm sử dụng phổ biến và lớn nhất là penicillin và cephalosporin

Các penicillin thu được từ môi trường nuôi cấy nấm penicilium notatum và penicillium chryrogenum, bán tổng hợp từ axit 6-amino penicillanic (6APA)

Các cephalosporin tự nhiên được phân lập từ môi trường nuôi cấy nấm cephalosporium acremonium và bán tổng hợp từ axit 7-amino cephalosporinic (7ACA) xuất phát từ các kháng sinh thiên nhiên [1]

1.1.2 Kháng sinh Amoxicillin

Amoxicillin là kháng sinh có hoạt phổ rộng thuộc nhóm β-lactam, tức là nhóm kháng sinh có cấu trúc phân tử gồm khung β -lactam, trên đó có các nhóm trí hoán Amoxicillin (AMO) là thuốc kháng sinh cùng họ với penicilin, nó ngăn chặn

và diệt các loại vi khuẩn gram dương như viêm họng, nhiễm trùng da, nhiễm trùng đường tiết niệu, viêm phổi Amoxicillin có công thức phân tử là C16H19N3O5S Công thức cấu tạo của AMO được chỉ ra ở hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của kháng sinh amoxicillin

Tên danh pháp quốc tế (IUPAC):

(2S,5R,6R)-6-{[(2R)-2-amino-2-(4-hydroxiphenyl)- acetyl]amino}-3,3-dimethyl-7-oxo- 4-thia- azabicyclo [3.2.0] heptane- 2-carboxilic axit

1.1.2.1 Phổ tác dụng

Amoxicilin là aminopenicilin, khá bền trong môi trường axit, có phổ tác dụng rộng hơn benzylpenicilin Tương tự như các penicilin khác, amoxicilin tác dụng diệt khuẩn, do ức chế sinh tổng hợp mucopeptid của thành tế bào vi khuẩn [2]

Amoxicillin có nguồn gốc bán tổng hợp Phổ tác dụng rộng trên cả vi khuẩn Gram (+) và Gram (-)

Trên vi khuẩn Gram (+), tác dụng kém penicillin và hầu như không có tác dụng với các vi khuẩn tiết ra β – penicillinase

Trên vi khuẩn Gram (-), có tác dụng trên cả vi khuẩn ưa khí và kị khí như: Escherichia coli, Enterococci, Salmonella, Shigella

Phổ tác dụng của amoxicillin có thể rộng hơn khi dùng đồng thời với sulbactam và axit clavulanic, một chất ức chế beta-lactamase

1.1.2.2 Dược động học

Kháng sinh amoxicilin bền vững trong môi trường axit dịch vị Khả năng hấp thu kháng sinh không bị ảnh hưởng bởi thức ăn, nhanh và hoàn toàn hơn qua đường tiêu hóa so với ampicilin Khi uống cùng liều lượng như ampicilin, nồng độ đỉnh amoxicillin trong huyết tương cao hơn ít nhất 2 lần Amoxicilin phân bố nhanh vào

hầu hết các mô và dịch trong cơ thể, trừ mô não và dịch não tủy, nhưng khi màng não bị viêm thì amoxicilin lại khuếch tán vào dễ dàng

Sau khi uống amoxicilin liều 250 mg sau 1 - 2 giờ, nồng độ amoxicilin trong máu đạt khoảng 4 - 5 µg/ml Nếu uống 500 mg, nồng độ amoxicilin đạt khoảng 8 -

10 µg/ml Tăng liều gấp đôi có thể làm nồng độ thuốc trong máu tăng gấp đôi Amoxicilin được uống hay tiêm đều cho những nồng độ thuốc như nhau trong huyết tương Thời gian bán hủy của amoxicilin khoảng 61,3 phút, thời gian này dài hơn ở trẻ sơ sinh và người cao tuổi Đối với người suy thận, thời gian bán hủy của thuốc dài khoảng 7-20 giờ

Khoảng 60% liều uống amoxicilin thải nguyên dạng ra nước tiểu trong vòng 6-8 giờ Probenecid kéo dài thời gian thải của amoxicilin qua đường thận Amoxicilin có nồng độ cao trong dịch mật và một phần thải qua phân [2]

1.1.2.3 Tính chất vật lí – hóa học

Amoxicillin có dạng bột tinh thể màu trắng, dạng axit ít tan trong nước, dạng

muối natri hoặc kali dễ tan trong nước, tan được trong metanol và dung môi hữu cơ phân cực vừa phải, tan trong dung dịch axit và kiềm loãng, do chứa đồng thời nhóm –COOH và –NH2 Dễ bị phân hủy nhanh ở độ ẩm cao và nhệt độ trên 37oC Cực đại hấp thụ chủ yếu do nhân phenyl, tùy vào cấu trúc khác làm dạng phổ thay đổi (đỉnh phụ và vai phổ dịch chuyển sang bước sóng ngắn hoặc dài do đó giảm độ hấp thụ

quang) [3]

Amoxicillin có tính axit với nhóm –COOH có pKa lần lượt là 2,4 ; 7,4 và 9,6 tùy thuộc vào cấu trúc phân tử Trong môi trường axit, kiềm bị tác dụng phân cắt khung phân tử, mở vòng β-lactam làm kháng sinh mất tác dụng

Các kháng sinh loại này là các axit khó tan trong nước, dạng muối natri hoặc kali dễ tan dùng để pha thuốc tiêm [3]

1.1.2.4 Tính chất quang học

Các β-lactam đều là những hợp chất không màu, có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng UV, cụ thể nhóm penicillin thì đa số các gốc R axyl hóa trên axit 6-amino penicillanic (6APA) đều là vòng thơm nên cho phổ hấp thụ ở vùng UV Phổ hồng ngoại (IR) ở vùng 1600- 1800 cm-1 có các đỉnh đặc trưng với các nhóm sau đây: nhóm lactam ở giữa 1760 và 1730 cm-1, nhóm chức amit ngoại vòng giữa 1700 và 1650 cm-1

, nhóm chức carbonyl ở khoảng 1600 cm-1[3]

1.1.2.5 Cơ chế kháng thuốc

Vi khuẩn sinh ra các β-lactamase, là enzim có tác dụng mở vòng β-lactam, theo phản ứng ái nhân vào nhóm C=O, làm kháng sinh mất tác dụng Tất cả các cách kháng không sinh ra β-lactamase để thực hiện gọi là kháng gián tiếp (được gọi

là kháng methicillin) [1]

1.1.2.6 Độc tính và tai biến

Amoxicillin là một trong những loại thuốc kháng sinh thương mại quan trọng nhất do tính kháng khuẩn cao và phổ lớn, chống lại một loạt các vi sinh vật Tuy nhiên với một hàm lượng vượt mức cho phép hoặc do dị ứng với thuốc, amoxicillin lại có thể gây ra một số ảnh hưởng đối với sức khỏe [2]

các bệnh ngoài da (mề đay, phát ban)

dài

ngày) hoặc tiêm liều quá cao oxacillin, cloxacillin, có triệu chứng rối loạn ý thức, co

cơ, tăng phản xạ, có thể co giật hôn mê

vị) carbenicillin, ticarcillin, pipiracillin,…giảm bạch cầu trung tính khi dùng kháng sinh nhóm beta-lactam kéo dài (quá 3 tuần) với tổng liều quá cao (ví dụ, quá 200 triệu đơn vị penicillin G)

1.1.3 Kháng sinh Cefixime

Cefixime (CEF) là họ kháng sinh cephalosporin thế hệ III, nó có tác dụng tốt trên vi khuẩn gram âm, nên thường được dùng để điều trị các nhiễm trùng gây bởi các vi khuẩn nhạy cảm như nhiễm trùng đường hô hấp, nhiễm trùng đường tiểu không biến chứng cũng như lậu không biến chứng[2]

Cefixime có công thức phân tử là C16H15N5O7S2

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của kháng sinh cefixime Tên danh pháp quốc tế (IUPAC): (6R, 7R)-7[(Z)-2-(2-amino-4-thiazolyl)-2-

2-ene-2 carboxylic axit

1.1.3.1 Phổ tác dụng

Cefixime có phổ kháng khuẩn rộng tác dụng tốt trên vi khuẩn gram âm, bền vững với betalactame, tác động bằng cách ức chế sự tổng hợp màng tế bào của vi khuẩn có thể nói cefixime thuộc nhóm kháng sinh có tác dụng diệt khuẩn Cefixime

có ái lực cao với các protein gắn kết penicillin với các vị trí tác động thay đổi tùy theo loại vi khuẩn Tuy nhiên trên vi khuẩn gram dương thì tác dụng kém penicillin

và cephalosporin thế hệ I

Hiệu lực lâm sàng đã được chứng minh trên nhiều bệnh nhiễm khuẩn gây ra bởi những chứng gây bệnh phổ biến như: E.coli, Proteus mirabilis, S.agalactiae, S.pneumoniae,

1.1.3.2 Dươc động học

Cefixime hấp thu tốt trên đường tiêu hóa và đường tiêm Khi uống cefixime khoảng 40-50% được hấp thu qua đường tiêu hóa, sự hấp thu tăng khi dùng uống cùng thức ăn Sau khi tiêm 1g thuốc đạt nồng độ trong huyết tương là 60-140 μg/ml, phân bố rộng trên khắp các mô và dịch cơ thể, xâm nhập tốt vào dịch não tủy, nhất

là khi màng não bị viêm CEF còn có thể hấp thụ qua nhau thai và sữa mẹ, CEF được chuyển hóa qua gan và thải trừ chủ yếu qua thận[15]

1.1.3.3 Tính chất vật lí – hóa học

CEF là một chất rắn có màu vàng nhạt, không tan trong diethyl ete, ethyl acetate, hexane và nước Hợp chất này là ít hòa tan trong axeton và chỉ ít tan trong rượu và 70% sorbiton Nó dễ hòa tan trong methanol, dimethyl sulfoxide, glycerin,

và propylene glycol

CEF là axit yếu ba nấc thể hiện ba hằng số ion hóa pKa1 = 2.10 theo nhóm chức năng COOH, pKa2 = 2.69 ảnh hưởng bởi nhóm chức NH và pKa3 = 3,73 của nhóm COOH kết nối với vòng β-lactam

Trong dược phẩm, có rất nhiều loại kháng sinh khác nhau, các cơ chế tác động đối với các vi khuẩn khác nhau Vì vậy, kháng sinh này chỉ chống lại các bệnh do vi trùng (vi khuẩn) mà không có tác dụng đối với các bệnh do virus gây ra[15]

1.2 Các phương pháp phân tích kháng sinh họ β-lactam

1.2.1 Các phương pháp quang phổ

1.2.1.1 Phương pháp phổ hấp thụ phân tử (UV –Vis)

Ở điều kiện thường, các phân tử, nhóm phân tử của chất bền vững và nghèo năng lượng Đây là trạng thái cơ bản, nhưng khi có một chùm sáng với năng lượng thích hợp chiếu vào thì các điện tử hóa trị trong các liên kết (σ, π, n) sẽ hấp thụ năng lượng chùm sáng, chuyển lên trạng thái kích thích với năng lượng cao hơn Hiệu số giữa hai mức năng lượng (cơ bản E0 và kích thích Em) chính là năng lượng mà phân

tử hấp thụ các tia bức xạ để tạo ra phổ hấp thụ phân tử của chất

Nguyên tắc xác định dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của một dung dịch

(Vis) hoặc phức tạo thành giữa ion cần xác định với một thuốc thử vô cơ hay hữu cơ trong môi trường thích hợp có thể hấp thụ ánh sáng thích hợp

Phổ UV-Vis là phương pháp được ứng dụng nhiều khi xác định β-lactam, đặc biệt trong dược phẩm Các β-lactam hấp thụ UV nhưng không nhiều cực đại hấp thụ, chúng cũng có thể tạo phức với một số ion kim loại giúp nâng cao độ nhạy của phép đo Trong một vài trường hợp, các β-lactam được thủy phân thành các chất đơn giản hơn để phân tích

Tác giả F Belal, và cộng sự xác định AMO và AMP (ampicillin) trong thuốc uống bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử, sử dụng HCl 1M, NaOH 1M để thủy phân kháng sinh sau đó thêm PdCl2 trong KCl 2M tạo thành phức có màu vàng Kết quả thu được bước sóng hấp thụ cực đại tại 335 nm, khoảng tuyến tính của AMP và AMO tương ứng từ 8 -40 μg/ml và 10 - 40 μg/ml, giới hạn phát hiện của AMP là 0,73 μg/ml, AMO là 0,76 μg/ml [25] Để nâng cao độ nhạy của phương pháp, Kemal ÜNAL và cộng sự đã thủy phân AMO trong NaOH 0,1N thu được cực đại hấp thụ ở bước sóng λmax = 247 nm, khoảng tuyến tính từ 3,2 đến 48,0 μg/mL [33]

Omed I Haidar và cộng sự đã xác định AMO trong dược phẩm bằng phương pháp UV-Vis sử dụng chất oxi hoá mạnh KMnO4[46].Sự mất dần màu tím của KMnO4 tỉ của lệ thuận với lượng AMO trong dược phẩm Từ phản ứng oxi hóa của KMnO4, tác giả thu được các kết quả đó là bước sóng hấp thụ cực đại λmax = 525nm, khoảng tuyến tính từ 0,1-1,6mg.L-1 và giới hạn phát hiện là 0,04 mg.L-1 Tác giả Wasan A Al-Uzri [55] đã xác định AMO trong dược phẩm bằng cách cho AMO tạo phức với diazotized p - amino benzoic axit hoặc diazotized procain tạo phức màu vàng, đo ở bước sóng tương ứng là 435 nm và 450 nm, khoảng tuyến tính lần lượt là 0,4 - 10 µg.mL-1 và 0,4 - 14 µg.mL-1 Giới hạn phát hiện là 0,1877 µg.mL-1 và 0,1916 µg.mL-1

Tại Việt Nam, các tác giả Nguyễn Thị Thu Thuý và Nguyễn Xuân Chiến [11]

đã xác định đồng thời một số thuốc kháng sinh họ β – lactam bằng phương pháp

quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis kết hợp với mạng nơron nhân tạo Dữ liệu phổ được ghi trong khoảng bước sóng từ 190 – 250 nm Mạng nơron nhân tạo gồm 3 lớp được luyện bởi thuật toán lan truyền ngược Phương pháp đã được ứng dụng thành công trong việc xác định đồng thời amoxcillin (AMO), ampicillin (AMP), cloxacillin (CLO) trong một số mẫu thuốc và mẫu máu cho kết quả có độ lặp lại < 5% và sai số nhỏ nằm trong phạm vi cho phép cụ thể < 15% Khoảng tuyến tính của AMO là 0,2 - 15 ppm; AMP 0,2 - 15 ppm và CLO là 0,2 - 18ppm

Phương pháp UV-Vis có khả năng phân tích nhanh, chi phí thấp một số kháng sinh họ β – lactam Tuy nhiên, nếu không kết hợp với các phương pháp, hoặc các thuật toán thì phương pháp UV-Vis chủ yếu chỉ dùng xác định riêng từng chất kháng sinh trong nền mẫu không quá phức tạp Trong các đối tượng mẫu có nhiều yếu tố ảnh hưởng hay chất tương tự chất phân tích, việc xác định sẽ kém chính xác Ngoài ra, trong nhiều trường hợp chất phân tích cần thủy phân hoặc dẫn xuất mới phát hiện được cũng là sự hạn chế của phương pháp này

1.2.1.2 Phương pháp huỳnh quang phân tử

Một chất khi hấp thụ một năng lượng thích hợp sẽ làm kích thích hệ electron của phân tử Khi ở trạng thái kích thích, phân tử chỉ tồn tại ≤ 10-8 giây, nó lập tức trở về trạng thái cơ bản ban đầu và giải phóng năng lượng đã hấp thụ Nếu năng lượng giải tỏa được phát ra dưới dạng bức xạ thì gọi là hiện tượng phát quang hay huỳnh quang [7]

Các phương pháp phát quang có thể dùng xác định các β-lactam với độ nhạy khá cao dựa trên đặc tính tạo phức với ion kim loại hay phản ứng quang hóa của các β- lactam

Wei Liu và cộng sự [56], sử dụng phản ứng quang hóa của β-lactam với hệ luminol- K3Fe(CN)6 kết hợp kĩ thuật chiết pha rắn đã phân tích một số β-lactam (penicillin, cefradine, cefadroxil, cefalexin) trong sữa đạt giới hạn phát hiện thấp: penicillin là 0,5 μg/ml, cefradine 0,04 μg/ml, cefadroxil là 0,08 μg/ml; 0,1 μg/ml CEP Kết quả được đối chứng lại bằng phương pháp HPLC, detector UV-Vis, nồng

Ampicillin được xác định bằng phương pháp huỳnh quang khi dùng Cu2+ tạo phức với AMP, với bước sóng kích thích 343nm, phát xạ 420nm, giới hạn phát hiện thu được 4.10-7M Phương pháp này kết hợp phương pháp dòng chảy cho hiệu quả

và tốc độ phân tích cao, sử dụng để phân tích AMP trong thuốc uống, huyết thanh [65]

Kết hợp phản ứng quang hóa và phương pháp dòng chảy để xác định AMO trong dược phẩm bằng phản ứng của AMO với N,N-dimethyl-p- phenylenediamine trong hệ luminol - K3Fe(CN)6 và môi trường kiềm NH4OH, kết quả thu được bước sóng hấp thụ cực đại λmax = 660 nm, khoảng tuyến tính 2- 40 μg/ml, giới hạn phát hiện là 0,637 μg/ml[66]

1.2.2 Các phương pháp điện hóa

Một số phương pháp điện hóa đã được ứng dụng để phân tích các β-lactam nhưng không phổ biến nhiều Daniela P Santos và cộng sự [19] đã sử dụng sensor điện thế phân tích AMO, đạt giới hạn phát hiện 0,92 μM (0,39 mg/l) trong môi trường đệm axetat 0,1M, pH= 5,2

Masoud Fouladgar và cộng sự [40] đã dùng điện cực màng nano cacbon, sử dụng phương pháp đo sóng vuông để phân tích AMO trong thuốc và nước tiểu trong

hệ đệm photphat ở pH=10,5 Giới hạn phát hiện của kháng sinh AMO là 8,7 nmol.L-1, các khoảng tuyến tính của amoxicillin là 0,03-0,35 mmol.L-1 và 0,50-32,70 mmol.L-1 tương ứng với mẫu thuốc và nước tiểu Xác định hàm lượng AMO trong mẫu thuốc và nước tiểu, Behzad Rezaei và Sajjad Damiri dùng điện cực màng cacbon, kết quả thu được đạt giới hạn phát hiện là 0,2 mM, khoảng tuyến tính từ 10,0 – 80,0 μM và sai số nhỏ hơn 4% Hàm lượng AMO đo được trong thuốc viên nang là 40,58 ± 1,03 μM trong khi nồng độ AMO trong nước tiểu người là 10,49 ± 0,79 μM (pH=7,5) [14]

Márcio F Bergamini cùng nhóm nghiên cứu [41] đã xác định được trực tiếp AMO bằng phương pháp Von – Ampe sử dụng kĩ thuật đo xung vi phân (DPV) và

sóng vuông (SWV) trong nền muối KCl 0,1M và pH = 5,5; thu được LOD là 16,6,

và 8,49 μmol.L-1, khoảng tuyến tính tương ứng là 18,3–35,5 và 18,9– 1,9 μmol.L-1Ampicilin cũng đã được xác định bằng cách sử dụng điện cực cacbon biến tính với axit Ferrocendicarboxilic ở pH = 10,0 Giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,67 μmol/L Khoảng tuyến tính là 2,3 – 30,0 μmol/L Phương pháp này xác định một cách đơn giản và chính xác cho ampicillin trong dược phẩm và nước tiểu [64] Maotian Xu và các cộng sự [38], đã nghiên cứu tính chất điện hóa của cephalexin trong điều kiện có mặt và không có mặt H2O2 Các tác giả cũng đã tối ưu hóa các điều kiện xác định cephalexin trong mẫu thuốc và mẫu huyết thanh bằng phương pháp cực phổ quét thế tuyến tính Kết quả cho thấy cephalexin cho sóng khử trong môi trường HCl 0,03M tại thế -1,24V Với nồng độ cephalexin cao hơn 8,68 μg/ml có thêm sóng khử khác quan sát được tại thế Ep = -0,9V Khi có mặt

H2O2, sóng khử tại thế Ep= -0,9V được xúc tác bởi H2O2 và bị khử thành gốc tự do

OH- tạo thành sóng xúc tác Tuy nhiên, sóng khử tại thế Ep = -1,24V giữ nguyên, hầu như không thay đổi Việc định lượng cephalexin trong mẫu dựa vào sóng khử,

có khoảng nồng độ xác định là 10-7– 2,5.10-5M và giới hạn phát hiện là 5,0.10-8M

1.2.3 Các phương pháp sắc ký

Các phương pháp sắc ký được sử dụng rộng rãi trong phân tích định lượng để tách và làm giàu các cấu tử riêng biệt từ những hỗn hợp phức tạp của các chất vô cơ

và hữu cơ

1.2.3.1 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

Trong những năm gần đây, phương pháp HPLC đã đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc tách và phân tích các chất trong mọi lĩnh vực khác nhau, nhất

là trong việc tách và phân tích lượng vết các chất Phương pháp HPLC với cột tách pha đảo được sử dụng rất rộng rãi để xác định các kháng sinh β-lactam trong các loại mẫu khác nhau do có nhiều ưu thế so với các phương pháp khác vì có độ chính xác, độ nhạy, độ lặp lại cao và khoảng tuyến tính khá rộng

Detector trong thiết bị HPLC cho phép phát chất sau khi rửa giải ra khỏi cột Hiện nay, nhiều detector được sử dụng cho mục đích này đã mở rộng khả năng phân tích được rất nhiều loại chất bằng phương pháp HPLC Đối với phân tích dư lượng, detector khối phổ (MS) xem là lựa chọn tối ưu do có thể phát hiện và phân tích chất trong các đối tượng phức tạp

Tác giả Titus A.M.Msagati và cộng sự [53] đã xác định dư lượng các β-lactam trong thực phẩm bằng sắc ký lỏng - khối phổ Các tác giả đã chiết và làm sạch mẫu

sử dụng hỗn hợp đệm photphat, tetraethylammonium clorua Et4NCl và acetonitril Sau đó, các β-lactam được tách và định lượng bằng sắc ký lỏng khối phổ ở chế độ ion dương (LC-PI-ESI-MS) Giới hạn phát hiện của phương pháp này đối với Penicillin G và Penicillin V trong gan và bầu dục là 1 ng/kg; trong sữa là 0,7 µg/L Yuko Ito cùng nhóm nghiên cứu [61] thuộc Viện sức khỏe cộng đồng (Nhật Bản) đã ứng dụng kĩ thuật làm sạch qua cột trao đổi ion để xác định 6 penicillin: Penicillin G, Penicillin V, Oxacillin, Cloxacillin, Nafcillin, và Dicloxacillin trong thịt Các penicillin được chiết ra khỏi nền mẫu thịt lợn với nước, nền mẫu thịt bò với NaCl 2%, làm sạch qua cột chiết pha rắn trao đổi ion và xác định bằng sắc ký lỏng cặp ion với detector tử ngoại Hiệu suất thu hồi của phương pháp từ 73 - 95% Giới hạn phát hiện của phương pháp đối với các penicillin là 0,02 mg/kg

Tác giả Lambert K Sorensen và cộng sự [35] đã đưa ra quy trình xác định đồng thời 7 penicillin trong thịt, gan, bầu dục gia súc và lợn bằng phương pháp HPLC kết hợp phương pháp chiết pha rắn Các penicllin được tách ra khỏi mẫu bằng H2O, loại các tạp chất hữu cơ với hỗn hợp axit sunphuric và natri vonphram oxit Na₂WO₄ Dịch chiết được làm sạch qua cột chiết pha rắn Oasis HLB, được dẫn xuất hoá với anhydric benzoic, 1, 2, 4 - triazole và HgCl2 Các penicillin được tách

và định lượng trên cột C18, chương trình rửa giải gradient và phát hiện bằng detector tử ngoại tại bước sóng 323nm Giới hạn phát hiện LOD của phương pháp

là từ 8,9-11,1 µg/kg đối với Amoxicillin, Penicillin G, Ampicillin, Oxacillin, Nafcillin và 18,3- 20,9 µg/kg cho Dicloxacillin

Nghiên cứu của VishalDiwan và cộng sự đã xây dựng và đánh giá dư lượng của 7 kháng sinh: Amoxicillin, Ceftriaxon, Amikacin, Ofloxacin, Ciprofloxacin, Norfloxacin và Levofloxacin trong nước thải tại một bệnh viện Ujjain, Ấn Độ Công trình khoa học này đã xây dựng kỹ thuật chiết pha rắn kết hợp với phương pháp LC-MS/MS Kết quả đã xây dựng được phương pháp với LOD từ 0,01 đến 2,5 ng/ml tùy thuộc vào loại kháng sinh Phương pháp đã được ứng dụng để phân tích các kháng sinh ở trên ở trong nước thải bệnh viện tại một số thời điểm khác nhau [54]

Một detector quan trọng trong phương pháp HPLC là detector huỳnh quang, với ưu điểm tăng độ nhạy, độ chọn lọc cao

Nghiên cứu của nhóm Haomin Xu tại trường Đại học California, Irvine đã xây dựng phương pháp và đánh giá hàm lượng kháng sinh amoxicillin, thuốc chẹn Beta, trimetroprim và cimetidin có trong nguồn nước tự nhiên tại Châu Âu và Mỹ Trong

đó, điều kiện phân tích amoxicillin như sau: hệ máy HPLC Agilent 1200 với 2 detector là UV- Vis và huỳnh quang, cột pha đảo C18 Phenomenex, pha động bao gồm dung dịch đệm phosphat 10mM (pH=3,0); metanol (85:15), tốc độ dòng: 1,0 ml/min; bước sóng phát hiện 230 nm Các phương pháp này đã được ứng dụng để nghiên cứu phân tích quá trình quang chuyển hóa của các hợp chất trên [60]

C.Y.W Yang và cộng sự [18] đã sử dụng phương pháp sắc kí lỏng với đầu dò huỳnh quang để phân tích amoxicillin trong mô cá tra và cá hồi Các mô này được tách chiết bằng cột chiết pha rắn C18 dùng đệm photphat ở pH = 4,5 và dùng trichloroacetic axit (TCA) kết tủa protein LOD và LOQ của AMO trong cá tra lần lượt là 0,50 và 1,20 ppb trong cá hồi tương ứng là 0,80 và 2,00 ppb

Nhóm nghiên cứu của Boison J.O [31, 32], đã sử dụng cột Spherisorb ODS (octadecyl silane) với kích thước cột dài 250mm, đường kính 4,6mm, hạt nhồi 5μm; pha động: ACN –Na2S2O3 15,7mM trong đệm photphat 0,1M (pH = 6,5); tốc độ pha động 1ml/phút, detectơ UV đo ở bước sóng 325nm, phân tích đồng thời AMO,

AMP, PEN, CLO trong sữa và thịt bò đạt giới hạn phát hiện 2,00-5,00µg/kg

Tác giả E.Benito-Pena [24] và cộng sự thuộc trường đại học Madrid (Tây Ban Nha) đã phát triển phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector tử ngoại mảng diot (UV-DAD) để xác định đồng thời các kháng sinh nhóm beta-lactam (Penicillin G, amoxicillin, ampicillin, penicillin V, axacillin, dicloxacillin, và nafcillin) trong nước thải Kĩ thuật SPE sử dụng hai loại vật liệu được sử dụng và so sánh quá trình làm sạch và làm giàu mẫu: cột silica pha đảo C18 và cột trao đổi anion hỗn hợp MAX Các penicillin được định lượng bằng sắc ký lỏng sử dụng cột tách C18, chương trình rửa giải gradient và phát hiện với detector tử ngoại tại bước sóng 220nm Cột MAX cho hiệu suất thu hồi cao hơn, nằm trong khoảng 82 – 97%

và giới hạn phát hiện từ 8,00 – 24,00 ng/L

Nghiên cứu của PGS Từ Bình Minh và cộng sự (2009) đã xây dựng phương pháp và đánh giá dư lượng của 4 nhóm kháng sinh trong đó có 3 kháng sinh β-lactam: amoxicillin, cephalexin và cefotaxim Nghiên cứu đã xử lý mẫu bằng kỹ thuật chiết pha rắn và xác định dư lượng kháng sinh bằng LC-MS/MS Các tác giả

đã xây dựng được phương pháp với LOD của các kháng sinh β-lactam từ 0,7 – 20ng/L Phương pháp này đã được sử dụng để đánh giá sự có mặt của các kháng sinh này trong các mẫu nước từ một số nhà máy xử lý nước song và nước biển tạ Hồng Kông [16]

Nhìn chung, khi phân tích kháng sinh trong các đối tượng mẫu phức tạp như thực phẩm, mẫu sinh học, mẫu nước thải, việc xử lý mẫu đối với các phương pháp đều đòi hỏi qui trình xử lý phức tạp do các kháng sinh liên kết chặt chẽ với nền mẫu

và có nhiều chất nhiễu cần loại trừ Do đó, việc kết hợp phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao và kỹ thuật chiết pha rắn là phương pháp nghiên cứu đạt độ tối ưu cao trong việc phân tích β – lactam do có độ nhạy, độ chính xác và độ lặp lại cao

1.2.3.2 Phương pháp sắc ký điện di mao quản

Gần đây, phương pháp CE được sử dụng rộng rãi do tính chất ưu việt về kinh

tế, hiệu quả tách cao, thời gian tách ngắn, lượng mẫu tiêu tốn ít Phương pháp đã được ứng dụng để tách và xác định các kháng sinh β-lactam trong nhiều đối tượng mẫu khác nhau

Biyang Deng và cộng sự [17] đã sử dụng phương pháp CE với detector quang điện hóa xác định AMO trong nước tiểu của người với giới hạn phát hiện thấp 0,31 μg/l, khoảng tuyến tính rộng 1,00 ng/ml – 8,00 μg/ml, cùng độ thu hồi cao 95,77%,

độ lệch chuẩn tương đối nhỏ hơn 2,2% và thời gian phân tích ngắn, 6 phút/ mẫu

L Nozal cùng đồng nghiệp [36] đã sử dụng phương pháp điện di mao quản điện động học kiểu Mixen (MEKC) với thành phần dung dịch đệm điện di gồm 40

mM đệm borat, chất hoạt động bề mặt SDS 100 mM ở pH 8,5 Tiến hành phân tích tại thế điện di 10 kV, nhiệt độ 200C, thời gian bơm mẫu 10s Phương pháp cho phép tách 6 kháng sinh gồm: AMO, AMP, PENG, OXA, Penicillin V và CLO Phương pháp được ứng dụng phân tích kháng sinh trong mẫu nước thải của trang trại chăn nuôi Giới hạn phát hiện từ 0,14 đến 0,27 mg/l, hiệu suất thu hồi trên 96%

Attila Gaspar và cộng sự [13] đã tách và xác định thành công 14 kháng sinh nhóm cephalosporin bằng phương pháp điện di mao quản vùng (capillary zone electrophoresis – CZE) sử dụng detector UV - DAD Quá trình tách dùng đệm photphat 25 mM có pH = 6,8 Phương pháp đã tách thành công 14 kháng sinh trong vòng 20 phút Giới hạn phát hiện 14 kháng sinh cefalosporin C, cefoxitin, cefazolin, cefadroxil, cefoperazon, cefamandol, cefaclor, CEP, CEF, ceftibuten, cefuroxim, ceftazidim, cefotaxim, ceftriaxon từ 0,42 đến 1,62 μg/ml Trong đó CEP và CEF có giới hạn phát hiện tương ứng 1,62 và 0,89 μg/ml; khoảng tuyến tính 5 – 200 μg/ml Mục đích của phương pháp được ứng dụng để nghiên cứu độ bền của kháng sinh nhóm Cephalosporins trong nước tại nhiệt độ khác nhau (+25, +4 và -180C) Kết quả cho thấy các kháng sinh giảm nồng độ không lớn hơn 20% tại nhiệt độ phòng sau khi pha loãng

M.I.Bailόn-Pérez và cộng sự [45] sử dụng phương pháp CZE và detector UV – DAD, pha động dùng hệ đệm Tris 175 mM pH = 8 và 20% (v/v) ethanol, dùng kĩ thuật chiết pha rắn làm sạch và làm giàu mẫu ứng dụng phân tích đồng thời AMP, AMO, dicloxacillin, CLO, OXA, PEN, nafcillin trong nền mẫu nước (nước sông, nước thải…) Giới hạn phát hiện tương ứng đối với bảy kháng sinh lần lượt là

0,8; 0,8; 0,25; 0,30; 0,30; 0,9; 0,08 μg/l Hiệu suất thu hồi đạt 94 – 99 % trong khi

độ lệch chuẩn tương đối thấp hơn 10%

1.3 Một số phương pháp xử lý kháng sinh họ β-lactam trong nước thải

1.3.1 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 có trong nước thải Trong công trình xử lý sinh học, các chất ô nhiễm như chất hữu cơ hòa tan và các chất keo được vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn cho sự sinh trưởng của chúng Trong quá trình tăng trưởng, vi sinh vật chuyển hóa các chất ô nhiễm thành CO2, H2O và các tế bào mới (sinh khối/ bùn) Các chất ô nhiễm được loại bỏ thông qua công trình sa 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 tăng khối lượng tế bào[9]

G Mascolo và cộng sự [28] đã nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học một số mẫu nước thải có nguồn gốc từ dây chuyền sản xuất công nghiệp 3 loại dược phẩm (naproxen, acylovir và axit nalidixic) bằng phương pháp Zahn-Wellent chuẩn Thành phần nước thải trước và trong khi nghiên cứu được xác định là hợp chất gốc

và các chất chuyển hóa chính được xác định bằng phương pháp LC/MS và khả năng phân hủy sinh học các hợp chất gốc đã được đánh giá bằng các thí nghiệm Zahn-Wellens trong các dung dịch tổng hợp Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng phân hủy sinh họ cacyclovir và naproxen tương đối tốt

1.3.2 Phương pháp oxi hóa tăng cường

Các quá trình oxi hóa tăng cường dựa trên sự tạo thành các gốc tự do hoạt động như OH•, gốc tự do này đóng vai trò một tác nhân oxi hóa không chọn lọc Trong các quá trình này, sự oxi hóa hoàn toàn có thể thu được ở điều kiện nhiệt độ,

áp suất thường Các quá trình oxi hóa tăng cường phân biệt nhau ở cách thức tạo ra gốc tự do Gốc tự do có thể được tạo ra bằng nhiều cách: chiếu tia UV, sự phân ly của H2O2 (có xúc tác), sử dụng ozon O3 [8]

Các quá trình quang hóa:

Gốc tự do được tạo thành dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại hoặc khả kiến: Quang hóa không xúc tác: bức xạ tử ngoại năng lượng cao được hấp thụ bởi các phân tử, đưa phân tử chất hấp thụ lên trạng thái kích thích Ở trạng thái này khả năng phản ứng của nó là rất lớn, nó phân hủy cho các chất ít độc hơn hoặc khơi mào phản ứng dây chuyền để phân hủy các chất hữu cơ trong hệ Phản ứng tạo thành gốc

OH•:

H2O → H• +OH• (1.1) Quá trình quang phân UV/ H2O2: sử dụng bức xạ tử ngoại để phân ly liên kết trong H2O2 tạo ra gốc OH• Cơ chế quang phân trong trường hợp này là sự bẻ gãy liên kết O - O do hấp thụ bức xạ tử ngoại, hình thành hai gốc OH•:

H2O2 → 2OH• (1.2) Quá trình xúc tác quang hóa: xúc tác thường là vật liệu nano hoạt tính như TiO2 dạng anatase TiO2 là một trong những xúc tác hiệu năng nhất so với các chất xúc tác khác, do sự ổn định quang cao Hệ thống xúc tác quang dựa trên sự hấp thụ photon với năng lượng lớn hơn 3,2eV (tương ứng với bước sóng thấp hơn 390nm)

để bắt đầu sự kích thích, liên quan đến quá trình tách, tạo ra cặp eCB- - hVB+[40]

TiO2 + hν → eCB- + hVB+ (1.3) Trong phản ứng (1.3), hVB+ có thể oxi hóa phân tử H2O và ion OH- được hấp phụ trên bề mặt hạt TiO2 tạo thành gốc OH• Gốc OH• là tác nhân oxi hóa mạnh, oxi hóa các chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn giản như CO2, H2O

H2O(ads) + hVB+ → OH• + H+ (1.4) OH(ads)- + hVB+ → OH• (1.5) Ozon hóa được xem là một trong những quá trình oxi hóa tăng cường ở pH kiềm do các chất hữu cơ bị oxi hóa bởi gốc tự do hoạt động được tạo ra trong quá trình phân hủy ozon Thực tế, trong mỗi quá trình ozon hóa, chất hữu cơ bị oxi hóa

một phần do phản ứng của các gốc tự do, một phần là sự ozon hóa trực tiếp các chất hữu cơ Bởi vì, ozon là chất oxi hóa mạnh hơn oxi do đó về mặt lý thuyết, không có hợp chất hữu cơ nào không bị oxi hóa bởi ozon Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là khó khăn trong việc thu được ozon và quá trình này khá nhạy với pH [8]

Các quá trình ozon hóa gồm có:

Quá trình UV/O3: quá trình ozon hóa được hỗ trợ bằng việc chiếu ánh sáng tia

tử ngoại để tăng hiệu quả tạo OH• hay tạo 2 OH• với nồng độ cao hơn

H2O + O3 → 2 OH• + O

2 (1.6) Quá trình H2O2/O3: phản ứng giữa O3 và H2O2 tăng sự tạo thành gốc OH• Trong trường hợp này, ngoài gốc OH• còn có gốc HO2• (tạo ra từ H2O2) Vì vậy phản ứng oxi hóa chất hữu cơ đạt hiệu quả caohơn

H2O2 +2O3→ 2OH• + 3O2(1.7) Quá trình H2O2/UV/O3: là sự kết hợp của các quá trình UV/O3, H2O2/O3, UV/

H2O2 để thu được hệ bậc 3 Đây là quá trình hiệu quả nhất trong xử lý nước thải ô nhiễm nặng và cho phép giảm tổng cacbon hữu cơ (TOC), khoáng hóa hoàn toàn chất ô nhiễm Cơ chế tạo gốc tự do được chỉ ra trong phản ứng:

H2O2 + 2O3 → 2OH• + 3O

2 (1.8) Tanaka và các cộng sự đã nghiên cứu xử lý tồn dư của dược phẩm trong nước thải dựa trên quá trình UV/O3, H2O2/O3 Với nồng độ ozon 6mg/L và thời gian tiếp xúc 15 phút kết quả thu được đó là cafein, N,N–Đietyl–meta–Toluamit, cyclophosphamide được loại bỏ với hiệu suất tương ứng 84,89% ,73,34% và 46% [40]

1.3.3 Phương pháp hấp phụ

1.3.3.1 Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ

a) Bản chất của quá trình hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tích lũy vật chất lên bề mặt phân cách giữa 2 pha (rắn- khí, rắn- lỏng, lỏng – lỏng, lỏng - khí) Chất có bề mặt mà trên đó xảy ra quá trình hấp phụ gọi là chất hấp phụ, chất được tích lũy trên bề mặt gọi là chất bị hấp phụ Trong một số trường hợp chất bị hấp phụ có thể đi xuyên qua lớp bề mặt và đi vào bên trong khối vật chất của chất hấp phụ, hiện tượng này gọi là sự hấp thụ [9]

Ngược với quá trình hấp phụ, quá trình giải phóng của chất bị hấp phụ khỏi lớp bề mặt gọi là quá trình giải hấp phụ

b) Phân loại hấp phụ

Tùy theo bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có thể phân chia thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

+ Hấp phụ vật lý: gây ra bởi lực Van der walls giữa các phân tử chất hấp phụ

và chất bị hấp phụ Liên kết này yếu, dễ bị phá vỡ

+ Hấp phụ hóa học: tạo thành lực liên kết hóa học giữa bề mặt chất hấp phụ với bề mặt của chất bị hấp phụ Liên kết này bền, khó bị phá vỡ

Hấp phụ hóa học được coi là trung gian giữa hấp phụ vật lý và phản ứng hóa học Để phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, người ta đưa ra một số tiêu chuẩn sau:

Hấp phụ vật lý có thể là đơn lớp hay đa lớp, trong khi hấp phụ hóa học thường

là đa lớp

+ Nhiệt hấp phụ: đối với hấp phụ vật lý, lượng nhiệt tỏa ra là 2- 6 kcal

+ Tốc độ hấp phụ: hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy

ra nhanh, ngược lại hấp phụ hóa học xảy ra chậm hơn

+ Nhiệt độ hấp phụ: hấp phụ vật lý thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (gần nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ), trong khi hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt

Ảnh hưởng của dung môi: hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là chất tan hấp phụ càng mạnh thì dung môi hấp phụ càng yếu và ngược lại

Vì vậy, đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch thì dung môi nước sẽ tốt hơn so với dung môi hữu cơ

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

dễ hấp phụ trên bề mặt phân cực, còn chất không phân cực lại dễ hấp phụ trên bề mặt không phân cực Ngoài ra, độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu Khi giảm kích thước của lỗ xốp bên trong (mao quản trong) của chất hấp thu thì sự hấp thu thường tăng lên nhưng chỉ trong chừng mực kích thước mao quản không cản trở sự đi vào của chất bị hấp thu Nếu kích thước mao quản bé hơn kích thước phân tử bị hấp thu thì sự hấp thu bị cản trở Ngoài ra, đối với hấp phụ bề mặt, dung lượng hấp phụ cũng phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ Diện tích bề mặt càng lớn thì phần tiếp xúc giữa chất tan và chất hấp phụ càng lớn, chất tan lưu lại trên bề mặt càng nhiều Như vậy, có thể nói rằng yếu tố vật lý như kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, sự hấp phụ trong dung dịch giảm, nhưng ở mức độ thấp hơn so với hấp phụ khí Tuy nhiên, đối với cấu tử hòa tan hạn chế mà khi tăng nhiệt độ độ tan tăng lên thì khả năng hấp phụ cũng có thể tăng lên, vì nồng độ của nó trong dung dịch được tăng lên[9]

Để mô tả cũng như dự đoán cơ chế hấp phụ, các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt thường được nghiên cứu và áp dụng

1.3.3.2 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

a) Phương trình Freundlich là phương trình thực nghiệm áp dụng cho sự hấp

phụ khí hoặc chất tan trên bề mặt chất hấp phụ rắn

1 n

f (1.9)Logarit hai vế của phương trình trên ta được phương trình bậc nhất có dạng:

y= ax+b

n (1.10)Trong đó:

Q: độ hấp phụ riêng, số gam chất bị hấp phụ trên 1g chất hấp phụ

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

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

.Từ thực nghiệm có thể tính hằng số K và dung tích hấp thụ cực đại qmax

1.3.3.3 Lý thuyết mô hình 2 bước hấp phụ

Các đường hấp phụ đẳng nhiệt có thể được xây dựng trên các phương trình hấp phụ thông thường Tuy nhiên, nghiên cứu này đã sử dụng mô hình 2 bước hấp phụ để mô tả đặc tính hấp phụ của AMO và CEF trên vật liệu silica biến tính bằng polyme mang điện dương PDADAMC trên vật liệu silica biến tính Công trình nghiên cứu của TS Phạm Tiến Đức [52] đã cho thấy mô hình 2 bước hấp phụ có thể

mô tả tốt quá trình hấp phụ polymer mang điện tích dương PDADMAC trên vật liệu silica cũng đã mô tả bằng mô hình này Ngoài ra hiện nay, các nghiên cứu trong và ngoài nước chưa áp dụng thành công mô hình 2 bước hấp phụ để mô tả đặc tính hấp phụ của các kháng sinh trên vật liệu silica biến tính theo phương pháp này

Mô hình 2 bước hấp phụ được bắt nguồn khi giả thuyết quá trình hấp phụ xảy

ra theo 2 bước rõ rệt Sự hấp phụ có thể xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ rắn và chất

Г∞ là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

K1 và K2 là hằng số cân bằng của bước hấp phụ đơn lớp đầu tiên và hấp phụ của n phân tử chất bị hấp phụ hoặc hấp phụ đa lớp

C là nồng độ cân bằng của AMO hoặc CEF (mol/L)

1.3.3.4 Một số công trình xử lý kháng sinh bằng vật liệu hấp phụ

Tác giả W.S Adriano và cộng sự [58] đã nghiên cứu xử lý AMO bằng vật liệu polyme sinh học là chitosan chế tạo từ chitin, được biến tính hóa học với glutaraldehyde để tạo thành hạt chitosan chứa liên kết ngang có kích thước nhỏ (hạt

vi cầu) Hạt chitosan (mang điện dương) hấp phụ AMO nhờ tương tác tĩnh điện Hấp phụ được tiến hành trong đệm photphat 0,1 M (pH = 6,5) với nồng độ kháng sinh ban đầu 0,20 – 3,00 mg.mL-1 Nghiên cứu cũng đã sử dụng hai mô hình hấp phụ động học để dự đoán tỷ lệ hấp phụ của một số thuốc kháng sinh họ β-lactam sử dụng hằng số cân bằng của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Dung lượng hấp phụ cực đại đo được qmax = 8,71 ± 0,6 mg/g

Mohammad Boshir Ahmed và đồng nghiệp [44] đã nghiên cứu loại bỏ thuốc kháng sinh trong nước, nước thải và tái sinh vật liệu hấp phụ nhằm giảm chi phí Công trình này đã sử dụng nhiều loại vật liệu hấp phụ khác nhau Cacbon hoạt tính (AC) có tiềm năng ứng dụng để khắc phục đáng kể các loại thuốc kháng sinh khác nhau từnước thải, với khả năng loại bỏ từ 74% đến 100%, trong đó hiệu quả xử lý AMO đạt 95% nhưng chi phí sản xuất và phục hồi cao; ống cacbon nano CNT loại

bỏ được 86,5% AMO tuy nhiên chưa thể áp dụng rộng rãi do chi phí nguyên liệu cao; khoáng sét bentonite loại bỏ được 88% AMO; nhựa trao đổi ion loại bỏ kháng sinh trong nước và nước thải lên đến 90%; than sinh học BC là vật liệu phế thải có nguồn gốc từ quá trình công nghiệp hoặc sản phẩm phụ nông nghiệp, BC là một sự thay thế tiềm năng cho AC có thể được sử dụng cho loại bỏ kháng sinh do giá thành sản xuất rẻ, có thể loại bỏ đến 100% lượng kháng sinh Cân bằng hấp phụ được mô

tả bởi hai mô hình đẳng nhiệt Langmuir hoặc Freundlich tùy từng loại kháng sinh Deicy Barrera và cộng sự [20] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu zeolite MCM-

22 để hấp phụ AMO và ethinylestradiol (EE) cho thấy khả năng hấp phụ tốt của vật liệu, khi so sánh khả năng hấp phụ của vật liệu MCM- 22 với ống nano cacbon TNC

và than hoạt tính AC kết quả cho thấy khả năng hấp phụ cao hơn hẳn, dung lượng hấp phụ cực đại của AMO và EE lần lượt là 116,1 và 121,2 mg/g trong điều kiện

pH = 5,1 ÷ 6,3

Trong một nghiên cứu khác [48], các nhà khoa học đã chế tạo vật liệu sét hữu

cơ betonite DK1 khi biến tính betonite với hexadecyl trimetyl amoni cho hiệu quả cao khi loại bỏ AMO trong nước thải đạt trên 80% Cũng sử dụng vật liệu này nhưng để loại bỏ đồng thời AMO và Cu(II) khỏi nước thải công nghiệp, khả năng loại

bỏ đồng thời AMO và Cu(II) của vật liệu DK1 lần lượt trên 34,76% và 43,62%, cho thấy khả năng xử lý tốt nguồn nước thải ô nhiễm có cả chất hữu cơ và vô cơ của vật liệu [59]

Gholamreza Moussavi và cộng sự [27] đã nghiên cứu khả năng loại bỏ AMO bằng than hoạt tính khi hoạt hóa bằng NH4Cl cho thấy ở điều kiện pH tối ưu là 6,0, hiệu quả loại bỏ AMO của vật liệu sau khi hoạt hóa cao hơn gấp gần 2 lần so với khi chưa hoạt hóa: vật liệu than hoạt tính NAC (đã biến tính) là 99% còn SAC (chưa biến tính) là 55% Dung lượng hấp phụ tối đa của AMO lên SAC và NAC tương ứng là 262 và 437 mg/g AMO hấp phụ lên SAC tăng từ 76,8% đến 92% với

sự gia tăng nhiệt độ 10-350C Tuy nhiên, việc tăng thêm của nhiệt độ đến 500C dẫn đến việc giảm loại bỏ AMO tới 78,1% Vật liệu mao quản trung bình như SBS-

15,MCM-4 cũng được chế tạo để xử lý kháng sinh AMO [27, 62] cho hiệu quả tốt; tuy nhiên chi phí sản xuất vật liệu khá cao nên chưa được ứng dụng rộng rãi.

Tiến sĩ Phạm Tiến Đức và cộng sự [52] đã nghiên cứu khả năng loại bỏ AMO

và kimh loại Pb2+

bằng vật liệu silica biến tính bằng PDADMAC cho thấy khả năng loại bỏ kháng sinh và kim loại Pb2+ tới 80% ở điều kiện tối ưu của lượng vật liệu là 0,1 g/ml, pH tại 10 với nồng độ kháng sinh AMO = 40 ppm và nồng độ Pb2+ = 20 ppm

Như vậy, nghiên cứu xử lý kháng sinh AMO và CEF bằng vật liệu silica chế tạo bằng vỏ trấu được biến tính bằng PDADMAC và tìm ra các điều kiện tách các kháng sinh chưa được công bố trong nước và ngoài nước

1.4 Giới thiệu về vật liệu Silica

Silica là tên thường gọi của silic đioxit (SiO2), có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều, trong đó mỗi nguyên tử oxi nằm ở đỉnh, còn silic nằm ở tâm của tứ diện đều, nếu các tứ diện này được sắp xếp một cách trật tự và đều đặn ta có silica cấu trúc tinh thể, ngoài ra silica còn có cấu trúc vô định hình Phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết lại với nhau thành phân tử rất lớn

Để mô tả cấu trúc của các dạng SiO2 thì người ta thường dùng phương pháp ghép các tứ diện với nhau qua đỉnh oxi chung

Hình 1.3 Cách ghép các tứ diện SiO 2

Trong điều kiện áp suất thường, silica tinh thể có 3 dạng thù hình chính, đó là thạch anh, tridimit và cristobalit Mỗi dạng thù hình này lại có hai hoặc ba dạng thứ

cấp: dạng thứ cấp α bền ở nhiệt độ thấp và dạng thứ cấp β nhiệt độ cao Ba dạng tinh thể của silica có cách sắp xếp khác nhau của các nhóm tứ diện SiO4 ở trong tinh thể Ở thạch anh α, góc liên kết Si-O-Si bằng 1500, ở tridimit và cristobalit thì góc liên kết Si- O-Si bằng 1800 Trong thạch anh, những nhóm tứ diện SiO4 được sắp xếp sao cho các nguyên tử Si nằm trên một đường xoắn ốc quay phải hoặc quay trái, tương ứng với α- thạch anh và β-thạch anh Từ thạch anh biến thành cristobalit cần chuyển góc Si-O-Si từ 1500 thành 1800, trong khi đó để chuyển thành α-tridimit thì ngoài việc chuyển góc này còn phải xoay tứ diện SiO4 quanh trục đối xứng một góc bằng180°

Vật liệu silica có diện tích bề mặt rất lớn và cấu trúc xốp (porous silica) Vật liệu loại này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá dầu và xúc tác cũng như ứng dụng trong công nghệ môi trường như hấp phụ xử lý kim loại nặng, thuốc kháng sinh, dược phẩm,…

Đối với vật liệu silica không xốp có diện tích bề mặt không lớn (nonporous silica) cũng như tỉ trọng điện tích nhỏ cần phải được biến tính bề mặt để tăng khả năng hấp phụ xử lý môi trường

Hiện nay, trong nước cũng đã có một vài nghiên nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica để hấp phụ các ion vô cơ trong nước dùng xử lý nguồn nước thải Tác giả Bùi Thị Hà đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu silica từ vỏ trấu để hấp phụ Pb2+ trong nước đạt kết quả khả quan khi dung lượng hấp phụ cực đại đạt 79,38 mg/g [6] Vật liệu silica còn được dùng để hấp phụ PO43- trong nước đạt dung lượng hấp phụ 34,68 mg/g [5]

Hướng nghiên cứu dùng vật liệu silica chế tạo từ vỏ trấu và được biến tính để hấp phụ chất thải hữu cơ là một hướng mới và đầy triển vọng Ngoài ra, trên cơ sở các đặc tính hấp phụ khác nhau có thể tìm điều kiện tách loại các hợp chất hữu cơ, ứng dụng trong phân tích

1.5 Giới thiệu polyme mang điện

Polyme mang điện tích được ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như xử

lý môi trường Poly(diallyldimethylammonium chloride) viết tắt là PDADMAC hoặc là một homopolyme của diallyldimethylammoniumclorua (DADMAC), được nghiên cứu vào năm 1957 bởi Giáo sư George Butler tại Đại học Florida

PDADMAC là một cationic polyme, hòa tan tốt trong nước, metanol hay các dung môi phân cực Công thức phân tử của PDADMAC là (C8H16NCl) n

Công thức cấu tạo của PDADMAC được cho ở hình 1.4

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của polyme mang điện PDADMAC

PDADMAC được ứng dụng trong làm sạch nước, xử lý nước thải, dùng trong sản xuất bột giấy và giấy công nghiệp

Các nhà khoa học Trung Quốc đã nghiên cứu ứng dụng PDADMAC làm chất keo tụ để xử lý nước thải có chứa chất kị nước như dầu, mỡ đạt hiệu quả loại bỏ cao trên 90% [29]

Sử dụng PDADMAC biến tính vật liệu để xử lý nước là một hướng mới với tiềm năng ứng dụng hiệu quả cao

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

Đối tượng hướng đến là mẫu nước chứa kháng sinh họ beta lactam như Amoxicillin (AMO), Cefixime (CEF) Vật liệu hấp phụ được nghiên cứu trong luận văn này là nanosilica được chế tạo từ vỏ trấu và biến tính bằng polyme mang điện Nghiên cứu tách và xử lý kháng sinh họ β - lactam bằng phương pháp hấp phụ

sử dụng vật liệu nanosilica từ vỏ trấu và biến tính bằng polyme mang điện tích chưa được nghiên cứu trên thế giới cũng như tại Việt Nam Do đó, mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đặc tính hấp phụ kháng sinh AMO và CEF trên vật liệu silica được chế tạo từ vỏ trấu và được biến tính bằng polyme mang điện tích PDADMAC Trên cơ

sở các đặc tính hấp phụ khác nhau của AMO và CEF có thể đề xuất các điều kiện tách các kháng sinh

2.2 Nội dung nghiên cứu

Luận văn sẽ nghiên cứu hệ thống các vấn đề sau:

 Nghiên cứu quy trình chế tạo nanosilica từ vỏ trấu Xác định đặc tính của nanosilica bằng các phương pháp vật lý và hóa lý hiện đại bao gồm XRD, FT-IR và SEM

 Nghiên cứu quy trình phân tích kháng sinh họ β-lactam như: AMO, CEF bằng phổ UV-Vis: Khảo sát phổ hấp thụ phân tử của kháng sinh AMO, CEF Khảo sát khoảng tuyến tính, xây dựng đường chuẩn xác định kháng sinh AMO, CEF

 Nghiên cứu so sánh hiệu quả xử lý kháng sinh AMO, CEF trên vật liệu nanosilica không biến tính và có biến tính polyme mang điện tích PDADMAC

 Khảo sát dung lượng hấp phụ PDADMAC của vật liệu nanosilica

 Nghiên cứu các điều kiện hấp phụ và tách AMO và CEF sử dụng vật liệu naosilica biến tính bằng PDADMAC:

+ Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ

+ Khảo sát điều kiện pH đến khả năng hấp phụ

+ Khảo sát tối ưu khối lượng vật liệu hấp phụ

 Nghiên cứu đặc tính đường hấp phụ đẳng nhiệt của AMO và CEF trên nanosilica biến tính bằng PDADMAC, so sánh thực nghiệm và mô hình 2- bước hấp phụ

 Nghiên cứu cơ chế hấp phụ AMO và CEF trên nanosilica biến tính bằng PDADMAC

 Đề xuất các điều kiện tách AMO và CEF sử dụng vật liệu nanosilica biến tính với PDADMAC

 Xử lý thử mẫu nước thải bệnh viện có chứa kháng sinh họ β-lactam sử dụng vật liệu nanosilica chế tạo từ vỏ trấu và biến tính bằng polyme PDADMAC

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp đánh giá vật liệu

 Phương pháp xác định tổng Nitơ

Phương pháp TN (Tổng lượng nitơ) được sử dụng để xác định nồng độ polyme PDADMAC trong dung dịch từ đó có thể đánh giá được dung lượng hấp phụ và xác định được điều kiện phù hợp để biến tính bề mặt silica bằng PDADMAC

Dung lượng hấp phụ polyme PDADMAC được tính bằng công thức:

(2.1) Trong đó Ci và Cf tương ứng là nồng độ AMO ở thời điểm ban đầu và sau khi hấp phụ, V là thể tích dung dịch mẫu, m là lượng vật liệu

Nitơ được oxi hoá bằng oxi không khí và được hoạt hóa bằng ozon sinh ra nitơ dioxit hoạt tính có khả năng phát quang do đó được phát hiện bằng detector huỳnh quang phân tử Hàm lượng nitơ trong mẫu tỉ lệ thuận với hàm lượng NO2 hoạt hóa thoát ra hay nồng độ nitơ tổng trong dung dịch từ đó tính ra được nồng độ polyme

và được biểu diễn bằng đơn vị mg/L

 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phổ hồng ngoại (IR) là một trong những phương pháp thường dùng để phân tích cấu trúc vật liệu Phổ IR đặc biệt hữu ích khi nhận biết các nhóm chức gắn trên

bề mặt vật liệu Nghiên cứu phổ hồng ngoại phân tích cấu trúc vật liệu thường chú ý đến dao động hóa trị và dao động biến dạng

Dựa vào tần số đặc trưng của các liên kết thu được trên phổ hồng ngoại có thể xác định được cấu trúc vật liệu Ngoài ra, phổ hồng ngoại còn được sử dụng để nghiên cứu sự thay đổi bề mặt vật liệu khi xác định được các nhóm chức đặc trưng trên bề mặt vật liệu Bằng việc đánh giá sự thay đổi các nhóm chức trước và sau khi biến tính, hấp phụ có thể dự đoán cơ chế hấp phụ

 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Hiển vi điện tử là phương pháp sử dụng chùm tia electron năng lượng cao

để bề mặt khảo sát những vật thể rất nhỏ Kết quả thu được qua khảo sát này phản ánh về mặt hình thái học, diện mạo học và tinh thể học của vật liệu mà chúng ta cần xác định Phương diện hình thái học bao gồm hình dạng và kích thước của hạt cấu trúc nên vật liệu Đặc trưng bề mặt của một vật liệu bao gồm kết cấu bề mặt hoặc độ cứng của vật liệu Phương diện tinh thể học mô tả cách sắp xếp có trật tự trong mạng tạo nên trạng thái tinh thể hoặc sắp xếp ngẫu nhiên hình thành dạng vô định hình Cách sắp xếp của các nguyên tử trong vật thể như thế nào Chúng có thể sắp xếp có trật tự trong mạng tạo nên trạng thái tinh thể hoặc sắp xếp ngẫu nhiên hình thành dạng vô định hình Cách sắp xếp của các nguyên tử một cách có trật tự sẽ ảnh hưởng đến các tính chất như độ dẫn, tính chất điện và độ bền của vật liệu

 Phương pháp đo thế zeta

Thế zeta (ζ potential) có mối liên hệ trực tiếp với thế bề mặt được đánh giá qua phân tích điện động học Theo lý thuyết về điện động học, thế zeta là một điện thế trong lớp kép phân giới /tiếp xúc giữa bề mặt vật liệu rắn và dung dịch điện ly Thế zeta được xác định bằng điện thế giữa các ion khuếch tán trong dung dịch và các ion trái dấu gắn trên lớp tĩnh của các hệ phân tán Một giá trị thường là mV (dương hoặc âm) đặc trưng cho bề mặt mang điện (dương hoặc âm) Giá trị pH mà tại đó thế ζ bằng 0 gọi là điểm đẳng điện tức là tại đó các phân tử chất có điện tích