Nghiên cứu định lượng ciprofloxacin trong nước thải bằng lc ms ms phục vụ đánh giá khả năng loại ciprofloxacin của vật liệu cu3(btc)2

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Cu 3 (BTC) 2

1.1.1 Đặc điểm của vật liệu Cu 3 (BTC) 2

Vật liệu khung cơ kim (MOF) nổi bật với độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ khí vượt trội Nhờ những đặc tính này, MOF được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hấp phụ, xúc tác, điện cực cho pin, dược phẩm và trao đổi ion.

Vật liệu khung cơ kim (MOF) là các khối đa diện được lắp ráp từ cấu trúc thứ cấp vô cơ và ligand hữu cơ, tạo thành khung trung hòa Hợp chất này hình thành nhờ liên kết phối trí giữa ion kim loại và phối tử hữu cơ, bao gồm hai thành phần chính.

- Phần vô cơ: trong cấu trúc có các ion kim loại hoặc các cluster kim loại (có khả năng nhận điện tử)

Cầu nối hữu cơ là một cấu trúc chứa các phối tử hữu cơ có khả năng cho điện tử, với cấu trúc π liên hợp Những phối tử này liên kết với các ion kim loại thông qua các liên kết phối trí, tạo ra sự tương tác mạnh mẽ giữa các thành phần.

Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu khung cơ kim, bao gồm thủy nhiệt, hóa học, hóa cơ và điện hóa Trong số đó, phương pháp điện hóa nổi bật với khả năng tổng hợp vật liệu tinh khiết, sản lượng lớn trong thời gian ngắn và khả năng điều khiển chất lượng sản phẩm Trên thế giới, vật liệu khung cơ kim (MOF) đã được nghiên cứu rộng rãi và nhiều sản phẩm đã được thương mại hóa.

Một vài vật liệu MOF như: HKUST-1, ZIP-8, MIL-100(Al), MIL-53(Al),

NH2MIL-53(Al) được tổng hợp qua phương pháp điện hóa thông qua quá trình hòa tan anod Phương pháp điện hóa cho phép tổng hợp MOF Cu3(BTC)2 từ đồng và acid benzen-1,3,5-tricarboxylic (H3BTC) bằng cách sử dụng áp thế hoặc áp dòng.

Hình 1.1: Cấu trúc của MOF Cu 3 (BTC) 2 [23], [26], [35]

Hình 1.2: Ảnh SEM của Cu 3 (BTC) 2 tổng hợp bằng phương pháp điện hóa [27]

Nồng độ BTC 3- và hàm lượng Cu 2+ trong dung dịch tổng hợp, cùng với phương pháp tổng hợp và loại dung môi, ảnh hưởng đến cấu trúc của sản phẩm, có thể là 1D hoặc 3D Cấu trúc 1D với dạng ziczac thường được sử dụng để tạo màng trong các phản ứng tổng hợp MOF 3D trên nền kim loại Ngược lại, cấu trúc 3D sở hữu nhiều đặc tính nổi bật như tính xốp, nhẹ, khả năng hấp phụ cao và diện tích bề mặt lớn, mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như lưu trữ, tách khí, xúc tác, điện cực và chất mang.

Hình 1.3: Cấu trúc dạng 1D Cu(BTC)(H 2 O) 3 (a); 3D Cu 3 (BTC) 2 (b) [17] a) a)

1.1.2 Khả năng xử lý kháng sinh của Cu 3 (BTC) 2

Năm 2016, một nhóm nghiên cứu tại Úc đã tiến hành khảo sát khả năng loại bỏ kháng sinh sulfachloropyridazin trong nước thải bằng vật liệu Cu3(BTC)2 được tổng hợp qua phương pháp thủy nhiệt Các tác giả đã thực hiện thí nghiệm với một lượng cố định của chất này để đánh giá hiệu quả xử lý.

Nghiên cứu tiến hành phân tích nồng độ sulfachloropyridazin từ 20 đến 100 mg/L trong 100 ml dung dịch bằng phương pháp UHPLC, sử dụng vật liệu Cu3(BTC)2 với nồng độ 100 mg/L pH của dung dịch được điều chỉnh từ 3,5 đến 11,5 trong khoảng thời gian từ 10 phút đến 2 giờ Kết quả cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra nhanh chóng trong vòng 15 phút, với dung lượng hấp phụ tối đa của Cu3(BTC)2 đạt 384 mg/g ở nhiệt độ 298ºK Dung lượng hấp phụ cao chủ yếu do các tương tác như tương tác π - π, liên kết hydro và tương tác tĩnh điện.

Nhóm tác giả Trung Quốc đã nghiên cứu hiệu quả của vật liệu Fe3O4/HKUST-1 trong việc loại bỏ ciprofloxacin (CIP) và norfloxacin khỏi nước Vật liệu này được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với diện tích bề mặt riêng đạt 328 m²/g Nghiên cứu đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ, bao gồm pH dung dịch và lượng chất hấp phụ, cũng như nồng độ của CIP và norfloxacin trong khoảng nhất định.

Trong nghiên cứu này, khối lượng của Fe3O4/ Cu3(BTC)2 được thay đổi từ 1 đến 5 mg trong 50 mL dung dịch CIP hoặc norfloxacin, với pH dao động từ 4 đến 11 Kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ cực đại đối với CIP và norfloxacin lần lượt đạt 538 mg/g.

Quá trình hấp phụ đạt cân bằng sau 30 phút với khả năng hấp phụ 513 mg/g Chất hấp phụ có thể được tách ra khỏi dung dịch bằng từ trường ngoài và có khả năng tái sử dụng, mặc dù hiệu suất hấp phụ giảm sau 10 chu kỳ.

Năm 2020, Chengyu Zhang và cộng sự đã tổng hợp Cu3(BTC)2 và Laccase@Cu-BTC bằng phương pháp hóa học để nghiên cứu khả năng phân hủy tetracyclin và ampicillin Họ đã thêm 20 mg laccase tự do hoặc Laccase@Cu-BTC tương ứng vào 10 ml nước khử ion chứa 1 mg tetracyclin hoặc 1 mg ampicillin, sau đó ủ ở 25°C với tốc độ 150 vòng/phút trong 30 phút Sau khi đun sôi dung dịch để làm mất hoạt tính của laccase, lượng kháng sinh còn dư được xác định bằng HPLC Kết quả cho thấy Laccase@Cu-BTC có hoạt tính cao hơn 16,5 lần so với laccase thông thường, đồng thời có khả năng chịu nhiệt tốt hơn, khả năng chống acid vượt trội và có thể tái sử dụng Laccase-Cu-BTC đạt hiệu suất phân hủy gần 100% đối với tetracyclin và ampicillin.

6 tetracyclin và ampicillin trong mẫu nước thực tế, đặc biệt không có bất kì sản phẩm trung gian nào [40]

Amir Reza Abbasi và các cộng sự đã tổng hợp nano Cu3(BTC)2 (374 m²/g) bằng phương pháp siêu âm và nghiên cứu khả năng hấp thụ và giải phóng rifampicin của vật liệu này so với Cu3(BTC)2 (409 m²/g) và carbon hoạt tính Để đánh giá khả năng hấp phụ của Cu3(BTC)2 đối với rifampicin, 13 mg Cu3(BTC)2 được ngâm trong 50 mL dung dịch rifampicin (0,17 mmol) và theo dõi sự thay đổi nồng độ theo thời gian bằng thiết bị UV-VIS Kết quả cho thấy lượng rifampicin hấp phụ trên nano Cu3(BTC)2 cao hơn nhiều so với Cu3(BTC)2 và carbon hoạt tính.

Vật liệu Cu3(BTC)2 mao quản trung bình, được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, đã được nghiên cứu để loại bỏ ceftazidime trong nước Kích thước lỗ xốp tối ưu là 3,9 nm, cho thấy dung lượng hấp phụ tốt nhất đạt 102 mg/g.

1.1.3 Sự hấp phụ trong môi trường nước

Hấp phụ là quá trình tăng nồng độ của khí, hơi hoặc lỏng trên bề mặt phân cách giữa các pha như khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng hay lỏng – lỏng Chất rắn có bề mặt nơi xảy ra hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, trong khi chất khí, hơi hoặc chất tan được tích tụ trên bề mặt đó được gọi là chất bị hấp phụ.

Giải hấp phụ là quá trình giải phóng chất bị hấp phụ từ bề mặt của chất hấp phụ, điều này ngược lại với quá trình hấp phụ

TỔNG QUAN VỀ KHÁNG SINH NGHIÊN CỨU

1.2.1 Đặc điểm của ciprofloxacin hydroclorid

 Công thức cấu tạo: C17H 18 FN 3 O 3 HCl Khối lượng phân tử: 367,8

Hình 1.4: Công thức cấu tạo của ciprofloxacin hydroclorid

Tên khoa học: Acid 1-cyclopropyl-6-fluoro-4-oxo-7-(piperazin-1-yl)-1,4- dihydroquinolin-3-carboxylic hydroclorid

Bột kết tinh có màu vàng nhạt, hút ẩm nhẹ và dễ tan trong nước Tuy nhiên, nó khó tan trong methanol, ethanol, aceton, ethyl acetat và methylen clorid.

Ciprofloxacin có pKa 1 = 6,09 và pKa 2 = 8,74 [41]

Hấp thu nhanh, sinh khả dụng đường uống khoảng 70% - 80%

Phân bố rộng khắp cơ thể và thâm nhập tốt vào các mô

Ciprofloxacin chủ yếu được đào thải qua nước tiểu, với khoảng 40-50% liều uống và 70% liều tiêm được thải dưới dạng không đổi Quá trình này diễn ra thông qua lọc ở cầu thận và bài tiết ở ống thận, trong khi khoảng 1/3 liều được chuyển hóa tại gan và bài xuất qua mật, đặc biệt là ở bệnh nhân suy thận nặng Ngoài ra, khoảng 15% liều uống và 10% liều tiêm được thải dưới dạng chuyển hóa, và trong 5 ngày, 20-35% liều uống và 15% liều tiêm tĩnh mạch được thải qua phân.

Ciprofloxacin được chỉ định cho các nhiễm khuẩn nặng mà các kháng sinh thông thường không còn tác dụng để tránh phát triển các vi khuẩn kháng ciprofloxacin

Ciprofloxacin là kháng sinh được chỉ định để điều trị các nhiễm khuẩn do tác nhân nhạy cảm, bao gồm viêm đường tiết niệu, nhiễm khuẩn đường mật, nhiễm trùng do vết cắn hoặc côn trùng đốt, viêm tuyến tiền liệt, nhiễm khuẩn xương – khớp, bệnh xơ nang tụy nặng, cũng như viêm tai – mũi – họng, bao gồm viêm tai ngoài, tai giữa và viêm xoang, cùng với viêm xương – tủy xương.

Thuốc có thể được sử dụng để điều trị nhiễm khuẩn da hoặc các cấu trúc da do vi khuẩn Gram âm, trong khi nhóm fluoroquinolon cũng cho thấy hiệu quả mạnh mẽ đối với vi khuẩn Gram dương.

Ciprofloxacin cũng được dùng để dự phòng bệnh não mô cầu, nhiễm khuẩn phẫu thuật và trong điều trị nhiễm Mycobacteria không do lao

Ciprofloxacin cũng được dùng tại chỗ trong điều trị nhiễm khuẩn mắt và tai [2]

Người có tiền sử quá mẫn với ciprofloxacin hoặc với bất kỳ thành phần nào của thuốc; người bệnh đang điều trị với tizanidin

Không được dùng ciprofloxacin cho người mang thai và thời kỳ cho con bú, trừ khi buộc phải dùng [2]

Dạng uống: ciprofloxacin hydroclorid, dạng tiêm: ciprofloxacin lactat

Viên nén 100 mg, 150 mg, 200 mg, 300 mg, 400 mg, 500 mg, 750 mg

Viên đạn đặt trực tràng 500 mg

Thuốc tiêm 200 mg/100 ml, 100 mg/50 ml, 100 mg/10 ml

1.2.2 Một số phương pháp xử lý ciprofloxacin trong nước thải

Ciprofloxacin (CIP) là một kháng sinh phổ biến trong điều trị nhiễm trùng ở người, động vật và thủy sản, nhưng có độ bền cao và khó phân hủy sinh học khi thải ra môi trường Các quy trình xử lý nước thải hiện tại không hoàn toàn loại bỏ được CIP, dẫn đến sự hiện diện của kháng sinh này trong nước thải, như đã được nhiều nghiên cứu chỉ ra Do đó, ngày càng nhiều phương pháp được phát triển để xử lý kháng sinh trong nước, bao gồm ba nhóm chính: phương pháp oxy hóa, phương pháp hấp phụ và phương pháp vi sinh.

Sau đây là tóm tắt một số nghiên cứu xử lý ciprofloxacin trong nước đã được công bố

Năm 2019, Rodrigues-Silva và cộng sự đã nghiên cứu xử lý fluoroquinolon trong nước thải bệnh viện bằng ozon hóa, sử dụng máy tạo khí ozon và hai lò phản ứng thủy tinh Tỷ lệ cấp ozon được duy trì ở 10 mg/L/phút tại nhiệt độ 25 ± 1° C Các mẫu ozon hóa được thu thập từ 0 đến 10 phút và rửa sạch bằng nitơ để loại bỏ ozon dư Kết quả cho thấy sau 5 phút, nồng độ ciprofloxacin và ofloxacin giảm lần lượt 36% và 41%, và khi thời gian phản ứng tăng đến 10 phút, nồng độ giảm tương ứng 66% và 84% Điều này chứng tỏ ozon hóa nước thải có khả năng phân hủy các fluoroquinolon hiệu quả.

Năm 2013, Dorival-García đã nghiên cứu khả năng loại bỏ 6 quinolon (ciprofloxacin, moxifloxacin, norfloxacin, ofloxacin, acid pipemidic và acid piromidic) trong nước thải thông qua phương pháp hấp thụ và phân hủy sinh học trong các lò phản ứng sinh học màng quy mô phòng thí nghiệm Kết quả cho thấy hấp thụ và phân hủy sinh học là những phương pháp loại bỏ chính các kháng sinh này, vượt trội hơn so với các phương pháp khác như bay hơi hoặc thủy phân.

Sự hấp thụ trên bùn là yếu tố quan trọng trong việc loại bỏ kháng sinh khỏi nước, với hệ số hấp thụ (K d ) phụ thuộc vào nhiệt độ và loại quinolon Lượng chất rắn lơ lửng trong hỗn hợp (MLSS) cao tăng cường hiệu quả loại bỏ quinolon chủ yếu thông qua hấp thụ Quá trình phân hủy sinh học quinolon có thể được mô tả bằng mô hình động học bậc nhất, với hằng số tốc độ phân hủy từ 8,0 × 10 - 4 giờ - 1 đến 1,4 × 10 -2 giờ - 1, trong khoảng nhiệt độ và MLSS từ 7000 đến 15.000 mg/L Phân hủy sinh học không chỉ phụ thuộc vào MLSS và nhiệt độ, mà còn vào nhu cầu oxy hóa học ban đầu (COD), với tỷ lệ phân hủy cao hơn ở MLSS và nhiệt độ cao, cùng với COD ban đầu thấp Ciprofloxacin và moxifloxacin cho thấy tỷ lệ phần trăm phân hủy sinh học cao nhất, đạt 52,8% và 47,2% tương ứng ở 38° C và 15.000 mg/L MLSS.

Năm 2010, tác giả Wu Qingfeng đã nghiên cứu sự hấp phụ và tương tác của CIP lên natri montmorillonite (MMT) thông qua các thí nghiệm với dung dịch CIP ở nhiệt độ thường và pH khác nhau Kết quả cho thấy sự hấp phụ của CIP lên MMT diễn ra ngay lập tức với hằng số tốc độ lớn và tốc độ ban đầu cao Cơ chế chính của quá trình này là trao đổi cation, với sự hấp phụ tăng cao khi pH dung dịch thấp hơn giá trị pKa2 của CIP Dữ liệu thực nghiệm cho thấy cả hai dạng cation và dạng lưỡng cực của CIP đều có khả năng hấp phụ lên MMT, trong khi pH dung dịch ảnh hưởng lớn đến lượng và loại CIP được hấp phụ Ở pH cao, cơ chế chính cho sự hấp phụ CIP có thể là sự tạo phức với các cation xen kẽ.

Năm 2016, Y Fei và cộng sự đã nghiên cứu sự hấp phụ ciprofloxacin (CIP) của ống nano carbon đa vách với nồng độ oxy khác nhau từ dung dịch nước Kết quả cho thấy, khi hàm lượng oxy tăng từ 2,0% đến 5,9%, dung lượng hấp phụ tối đa của CIP cũng tăng lên, mặc dù tốc độ gia tăng này trở nên chậm hơn do tương tác điện tử π-π Hơn nữa, sự hấp phụ CIP còn phụ thuộc nhiều vào pH của dung dịch, trong khi điều kiện kiềm không có tác dụng đáng kể.

Sự hấp phụ của CIP trên ống carbon đa vách mang lại 12 lợi ích đáng kể Mặc dù lực ion không ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ, nhưng tương tác tĩnh điện có thể đóng vai trò là cơ chế chính trong quá trình này.

Hấp phụ là một phương pháp đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả để xử lý ciprofloxacin trong nước, không tạo ra chất trung gian độc hại Vật liệu khung hữu cơ (MOF) với diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, như Cu3(BTC)2, có tiềm năng lớn trong xử lý nước thải Nghiên cứu này nhằm khảo sát khả năng hấp phụ ciprofloxacin của Cu3(BTC)2, được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa, thông qua việc đo lường nồng độ ciprofloxacin trong nước thải trước và sau khi hấp phụ.

1.2.3 Các nghiên cứu định lượng ciprofloxacin trong nước thải

Trên toàn cầu, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để định lượng ciprofloxacin (CIP) trong nước thải, chủ yếu sử dụng phương pháp LC-MS/MS kết hợp với chiết pha rắn (SPE) Bảng 1 tổng hợp các nghiên cứu này, cung cấp cái nhìn tổng quan về nồng độ ciprofloxacin trong nước thải.

Bảng 1.1: Một số nghiên cứu về định lượng ciprofloxacin trong nước thải

Nền mẫu Xử lý mẫu và phương pháp phân tích Khoảng nồng độ

CIP trong mẫu nước thải

Ciprofloxacin, β-lactam, cephalosporin, macrolid và metronidazol

- Nền mẫu: Mẫu nước ngầm, mẫu nước bề mặt và mẫu nước sau khi xử lý

- (Chiết pha rắn) SPE: cột Oasis HLB (500 mg, 6 cm 3 ); thể tích mẫu đem chiết (Vmẫu) = 500 ml

- LC: Cột Zorbax-eclipse XDB-C18 (100 mm × 4,6 mm, 3,5 μm)

Pha động: Gradient với hai thành phần là dung dịch acid formic 0,1% trong nước và dung dịch acid formic 0,1% trong methanol

Ion hóa phun sương điện (ESI) 332,5 -> 314,5 (Mảnh định lượng) và 332,5 -> 231,4 (Mảnh định tính)

Nồng độ CIP phát hiện được trong các mẫu trung bình từ 11,76 – 308,65 ng/L

Ciprofloxacin, norfloxacin, levofloxacin, ofloxacin, lomefloxacin

- Nền mẫu: nước thải bệnh viện

- Chiết SPE: Đĩa chiết hỗn hợp trao đổi cation MPC; Vmẫu = 20 ml

- HPLC với detector huỳnh quang

Nền mẫu Xử lý mẫu và phương pháp phân tích Khoảng nồng độ

CIP trong mẫu nước thải

Ciprofloxacin, norfloxacin, levofloxacin, ofloxacin, amikacin, amoxicillin, ceftriaxon

- Nền mẫu: Nước thải bệnh viện

- Chiết SPE: cột C18; Vmẫu = 100 ml

Cột Waters X Terra MS C18 (2,1 × 100 mm,

Pha động: hỗn hợp (50:50) của dung dịch 0,1% acid formic trong nước và 0,1% acid formic trong ACN (hoặc MeOH)

Ion hóa phun sương điện (ESI) 333,2 -> 231,05 (Mảnh định lượng) và 333,2 -> 245,03 (Mảnh định tính)

17 Kháng sinh thuộc 5 nhóm : Fluoroquinolon, tetracyclin, macrolid, phenicol, sulfonamid

- Chiết SPE: cột Oasis HLB; Vmẫu = 500 ml

- LC : Eclipse Plus C18 (100 x 2,1 mm, 1,8 μm) Pha động: gồm MeOH và dung dịch amoni acetat 2 mmol/L với 0,4% acid formic

Ion hóa phun sương điện (ESI)

Chất phân tích Xử lý mẫu và phương pháp phân tích Khoảng nồng độ

CIP trong mẫu nước thải

Ciprofloxacin , moxifloxacin, ofloxacin và norfloxacin

- Nền mẫu: nước thải nhà máy sản xuất dược phẩm

- Chiết SPE: cột Oasis HLB (200 mg, 6 cm 3 );

Pha động: Gradient với hai thành phần là dung dịch acid formic 0,1% trong nước và dung dịch acid formic 0,1% trong acetonitril

Ion hóa phun sương điện (ESI) 332,1 - > 314 (Mảnh định lượng) và 332,1 -> 288 (Mảnh định tính)

- Nền mẫu: Mẫu nước ngầm, mẫu nước bề mặt và mẫu nước sau khi xử lý

- Chiết SPE: Sử dụng cột Oasis HLB, 200 mg, Waters; V mẫu = 100 ml

5μm) Pha động: Gradient gồm nước và acetonitril

ESI (+) 332,1 -> 314 (Mảnh định lượng) và 332,1 -> 288 (Mảnh định tính)

Chất phân tích Xử lý mẫu và phương pháp phân tích Khoảng nồng độ

CIP trong mẫu nước thải

Ciprofloxacin và các chế phẩm thuốc

- Nền mẫu: Nhà máy xử lý nước thải của bệnh viện, nhà máy sản xuất dược phẩm, chăn nuôi và đô thị

- Chiết SPE: Sử dụng cột Oasis HLB, 200 mg và MCX 150 mg của Waters;

V mẫu = 500 ml Từ N/D đến 34,6 ppb - [33]

* Chú thích: (-) : Không có thông tin

(a) : LOQ tính trên mẫu thực

Nghiên cứu về ciprofloxacin trong nước thải chủ yếu sử dụng phương pháp chiết pha rắn (SPE) để xử lý mẫu, nhằm loại bỏ tạp chất và làm sạch mẫu trước khi phân tích bằng LC-MS/MS Do tính chất phức tạp của nước thải và nồng độ ciprofloxacin thấp, việc áp dụng SPE là cần thiết để cải thiện độ chính xác trong phân tích định lượng.

Nghiên cứu này đánh giá khả năng loại bỏ CIP trong nước thải bằng vật liệu Cu3(BTC)2 thông qua việc theo dõi nồng độ CIP trước và sau quá trình hấp phụ Để xử lý mẫu nước thải phức tạp và đạt yêu cầu phân tích ở nồng độ thấp, chúng tôi đã áp dụng phương pháp chiết pha rắn kết hợp với phân tích LC-MS/MS.

VÀI NÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG KHỐI PHỔ

Sắc ký lỏng khối phổ (LC-MS) là một phương pháp phân tích tiên tiến, kết hợp giữa khả năng phân tách các hợp chất của hệ thống sắc ký lỏng cao áp (HPLC) và khả năng phân tích khối lượng của máy dò khối phổ.

Kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) kết hợp với đầu dò khối phổ ba tứ cực và bộ ion hóa kiểu phun điện (ESI) mang lại độ đặc hiệu và độ nhạy cao, là một trong những phương pháp LC-MS hiệu quả nhất hiện nay.

Sơ đồ khối của một máy sắc ký lỏng - khối phổ được trình bày như trong hình 1.5

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo của một máy khối phổ

Bộ phận nạp mẫu trong thiết bị khối phổ sẽ chuyển mẫu phân tích vào nguồn ion hóa Đối với LC-MS, mẫu được nạp vào MS một cách gián tiếp thông qua hệ thống HPLC.

1.3.2 Nguồn ion hóa kiểu phun sương điện (ESI – Electron spray ionization)

Nguồn ion hóa là nơi chuyển đổi các hoạt chất thành ion/tiểu phân mang điện trong pha khí thông qua các kỹ thuật ion hóa Kỹ thuật ion hóa kiểu phun sương điện (ESI) sử dụng điện thế cao và khí mang để phun mẫu thành hạt sương nhỏ mang điện Nhiệt và khí xung quanh giúp bay hơi dung môi, làm tăng mật độ điện tích trên bề mặt hạt sương Khi mật độ điện tích đạt đến giới hạn ổn định Rayleigh, lực đẩy vượt qua sức căng bề mặt, dẫn đến việc chia hạt sương thành các hạt nhỏ hơn Quá trình này lặp lại để tạo ra các hạt rất nhỏ chứa tiểu phân mang điện, từ đó các ion phân tích được chuyển vào thể khí và đi vào bộ phận phân tích khối, trong khi các tiểu phân không ion hóa sẽ bị hút ra khỏi buồng ion.

1.3.3 Bộ phận phân tích khối ghép nối ba tứ cực

Bộ phân tích khối sẽ tách các ion có số khối m/z khác nhau thành từng loại riêng biệt nhờ tác dụng của điện trường

Bộ phận phân tích khối kiểu ghép nối ba tứ cực bao gồm ba tứ cực Q1, Q2 và Q3 được kết nối nối tiếp Mỗi tứ cực được cấu tạo từ bốn thanh kim loại đặt song song và gần nhau, tạo thành hai cặp điện cực.

Hình 1.6: Cấu tạo và cơ chế hoạt động của phổ khối ghép nối ba tứ cực

Trong quá trình phân tích, Q1 sẽ tách các ion và chọn ra một số ion mẹ để đưa vào tứ cực Tiếp theo, trong buồng Q2 có áp suất cao, các ion mẹ sẽ bị phân mảnh khi va chạm với các khí trơ như nitơ, argon và heli Sự va chạm này giúp chuyển đổi năng lượng động học của các ion thành nội năng, dẫn đến việc phân mảnh và tạo ra các ion nhỏ hơn.

(ion con) Các ion con mới hình thành được dẫn đến Q3 phân tích khối tách riêng và đến detector

Các hợp chất có cấu trúc khác nhau sẽ tạo ra tỷ số m/z khác nhau cho ion mẹ, cũng như cơ chế phân mảnh và hình thành các ion con với số khối khác nhau Do đó, phương pháp LC-MS/MS có thể được sử dụng để định tính và định lượng các hoạt chất cần phân tích.

1.3.4 Bộ phận phát hiện (detector)

Sau khi rời khỏi bộ phận phân tích khối, các ion được chuyển đến bộ phận phát hiện ion của thiết bị khối phổ Bộ phận này có chức năng phát hiện và khuếch đại tín hiệu của các ion, giúp xác định số lượng tương ứng Tín hiệu được tạo ra sẽ được gửi đến máy tính, từ đó thu thập dữ liệu dưới dạng phổ đồ.

Trong phân tích khổ phối, việc xác định chính xác ion (M + hoặc các chất phân mảnh) là rất quan trọng để nhận diện hợp chất cần phân tích Một hợp chất nhất định sẽ tạo ra ion có số khối xác định trên phổ đồ trong những điều kiện cụ thể Tuy nhiên, một ion với số khối xác định có thể đến từ nhiều hợp chất khác nhau Khi phân tích hỗn hợp bằng phương pháp sắc ký – khối phổ, nếu điều kiện sắc ký không đảm bảo phân tách, việc nhận diện các ion qua số khối trên phổ đồ có thể bị sai lệch Trong những trường hợp này, kỹ thuật MS một lần có thể cho kết quả không chính xác hơn so với kỹ thuật khối phổ nhiều lần do tính chọn lọc khối cao hơn Dưới đây là một số kỹ thuật ghi phổ.

Quét toàn phổ (Full Scan) trong phân tích MS tứ cực chập ba là phương pháp lý tưởng để khảo sát ion mẹ Chế độ Full scan MS/MS cho phép quét tất cả các ion con, giúp xác định các ion con với tín hiệu ổn định và bền nhất.

 Chế độ Selected Ion Monitoring (SIM)

Trong chế độ SIM, khối phổ (MS) chỉ ghi nhận tín hiệu của các ion đặc trưng cho chất cần xác định Phổ đồ SIM chỉ hiển thị tín hiệu của các ion đã được chọn trước, vì vậy không thể sử dụng để nhận diện hay so sánh với các thư viện có sẵn Đối với khối phổ tứ cực chập ba, chế độ SIM thường được lựa chọn để khảo sát năng lượng.

20 phân mảnh khi đã biết ion mẹ

Chế độ ghi phổ SRM (Selected Reaction Monitoring) và MRM (Multiple Reaction Monitoring) là hai kỹ thuật ghi phổ MS/MS có độ nhạy cao, được áp dụng trong khối phổ tứ cực chập ba, tức là máy đo khối phổ hai lần liên tiếp (MS/MS).

SRM là quá trình cô lập ion cần chọn, sau đó phân mảnh ion đó để tạo ra các mảnh ion khác nhau Từ các mảnh ion sinh ra, một mảnh ion con quan trọng sẽ được cô lập và đưa vào đầu dò để tiến hành phát hiện.

Kỹ thuật ghi phổ MRM (Multiple Reaction Monitoring) thường được ưa chuộng hơn SRM (Single Reaction Monitoring) trong phân tích vi lượng do yêu cầu kỹ thuật cần quan tâm đến nhiều ion con, thường từ 2 trở lên Quá trình bắt đầu bằng việc cô lập ion mẹ ở tứ cực thứ nhất, sau đó phân mảnh ion đó tại tứ cực thứ hai để thu được các ion con Cuối cùng, các ion con cần thiết được cô lập ở tứ cực thứ ba và đưa vào đầu dò để phát hiện.

1.3.5 Ứng dụng của phương pháp khối phổ trong kiểm nghiệm Đặc tính nổi bật của khối phổ là tính chọn lọc và độ nhạy cao Vì vậy mà khối phổ thường được sử dụng để xác định lượng siêu vết trong mẫu có thành phần phức tạp như định tính, định lượng thuốc và các chất chuyển hoá trong dịch sinh học, độc chất học; định lượng dư lượng thuốc trừ sâu, chất bảo quản, chất cấm trong các mẫu thực phẩm, mỹ phẩm, dược liệu, thuỷ hải sản và môi trường … Định tính: Tiến hành so sánh phổ của chất cần phân tích so với phổ chuẩn trong thư viện phổ hoặc so với phổ của chất chuẩn Định lượng: Dựa vào tương quan đáp ứng của mẫu thử so với đáp ứng của mẫu chuẩn đã biết nồng độ

Ngoài ra, phương pháp khối phổ còn có thể được sử dụng để xác định mức độ tinh khiết của chất chuẩn hoặc mẫu chất cần phân tích [3].

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

NGUYÊN LIỆU, TRANG THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU

2.1.1 Chất chuẩn, dung môi, hóa chất

 Ciprofloxacin hydroclorid: Chuẩn DĐVN, hàm lượng 93,9%

C 17 H 18 FN 3 O 3 HCl; số lô C0419029.04 của Viện Kiểm nghiệm Thuốc Trung ương

 Chuẩn nội (IS): Ciprofloxacin HCl (2,3,carboxyl-13C3, 99%; quinoline- 15N, 98%); hàm lượng 103,9 àg/mL, số lụ SCJI-017 của Aldrich Sigma, Mỹ

Hình 2.1 Công thức cấu tạo của chuẩn nội IS

 Methanol, acetonitril, acid formic, nước tinh khiết đạt tiêu chuẩn tinh khiết dùng cho HPLC và LC-MS

 Các dung môi, hóa chất khác như: acid hydrocloric, Na2EDTA, natri hydroxyd, acid phosphoric, triethylamin đạt tiêu chuẩn tinh khiết dùng cho phân tích

2.1.2 Thiết bị, dụng cụ phân tích

- Thiết bị sắc ký lỏng ghép khối phổ loại tứ cực chập ba AB SCIEX QTRAP ® 6500 LC/MS/MS; nguồn ion hóa kiểu ESI (Mỹ)

- Cột chiết pha rắn InertSep HLB FF 500mg, 6ml, GL Sciences (Nhật Bản)

- Bộ chiết pha rắn Máy lọc nước Milli-Q reference, Millipore, Pháp

- Máy ly tâm Sartorius Sigma 2-16K

- Máy lắc xoáy Vortex ZX3 VELP scientific

- Cân phân tích Mettler Toledo AG245

- Cột phân tích: Agilent Eclipse XDB – C18 (150 x 3,0 mm; 3,5 μm)

- Thiết bị bay hơi dung môi bằng khí nitơ có gia nhiệt Reacti-Therm III, Thermo Scientific

- Micropipet Eppendorf: 10-100 àL, 100-1000 àL, 1000 - 5000 àL

- Bình định mức, pipet thủy tinh class A: Prolabo-Pháp.

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU

- Mẫu trắng: Nước tinh khiết

Mẫu thử được thu thập tại phường Yên Nghĩa, quận Hà Đông Sau khi thu thập, mẫu sẽ được acid hóa đến pH 2 bằng dung dịch acid hydroclorid 10% và được bảo quản ở nhiệt độ -20ºC cho đến khi tiến hành phân tích.

Vật liệu Cu3(BTC)2 được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Vật liệu này sở hữu diện tích bề mặt lớn đạt 985 ± 120 m²/g và độ xốp cao, với thể tích lỗ xốp trung bình là 0,57 ± 0,04 cm³/g và kích thước lỗ xốp trung bình là 2,33 ± 0,13 nm Các thông số này đã được kiểm tra theo quy trình tiêu chuẩn của đơn vị.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ ciprofloxacin của vật liệu Cu 3 (BTC) 2

2.3.1.1 Thẩm định phương pháp định lượng ciprofloxacin bằng HPLC

 Mẫu trắng: Nước tinh khiết

 Dung dịch chuẩn: là dung dịch 20 ppm CIP trong nước tinh khiết

Tham khảo quy trình định lượng ciprofloxacin trong Dược Điển Việt Nam V

[1] có thay đổi một số thông số, cụ thể như sau:

Pha động là hỗn hợp dung dịch acid phosphoric 0,025 M được điều chỉnh đến pH 3,0 bằng triethylamin và acetonitril với tỉ lệ 82 : 18

Cột Phenomenex RP18 (150 cm ì 4,6 mm; 3 àm),

Tốc độ dòng: 0,6 ml/min

* Thẩm định phương pháp a) Độ đặc hiệu

- Tiến hành sắc ký các loại mẫu sau đây theo quy trình phân tích:

 Mẫu trắng: Nước tinh khiết

 Dung dịch chuẩn: là dung dịch 20 ppm CIP trong nước tinh khiết

- Ghi lại các sắc ký đồ Xác định thời gian lưu, hệ số bất đối (T), số đĩa lý thuyết (N) của píc ciprofloxacin, độ tinh khiết của píc ciprofloxacin

Sắc ký đồ của mẫu trắng không cho thấy píc tại thời gian lưu tương ứng với ciprofloxacin Nếu có sự xuất hiện của píc, mức độ phải nhỏ hơn hoặc bằng 1,0% so với píc của dung dịch chuẩn.

Píc ciprofloxacin cần phải đạt tiêu chuẩn tinh khiết Để đánh giá tính thích hợp của hệ thống, cần kiểm tra độ ổn định của nó thông qua thời gian lưu và diện tích pic khi tiêm lặp lại 6 lần dung dịch chuẩn CIP với nồng độ 20 ppm.

Giá trị RSD của thời gian lưu ≤ 1,0 % và RSD của diện tích píc phải ≤ 2,0 %

Hệ số bất đối (T ≤ 2,0) và số đĩa lý thuyết N ≥ 2500 c) Độ tuyến tính

Khảo sát hai khoảng tuyến tính từ 20 ppb đến 5 ppm và từ 2 ppm đến 50 ppm Tiến hành sắc ký các dung dịch chuẩn, ghi lại sắc ký đồ và xác định đáp ứng của píc.

Để xác định phương trình hồi quy tuyến và hệ số tương quan tuyến tính (r) giữa nồng độ CIP và đáp ứng píc CIP trên các sắc ký đồ, cần phân tích các dữ liệu thu được Đồng thời, việc xác định độ chệch của các điểm nồng độ dùng để xây dựng đường chuẩn cũng rất quan trọng Độ chệch được tính theo công thức: Δi (%) = (Ci – Cc) x 100, trong đó Ci là nồng độ thực tế và Cc là nồng độ chuẩn.

C c Trong đó: Δi: Độ chệch của từng điểm chuẩn dùng xây dựng đường chuẩn

Ci: Nồng độ tính ngược theo đường chuẩn của các điểm chuẩn

C c : Nồng độ của các điểm chuẩn

Hệ số tương quan tuyến tính (r) cần đạt ≥ 0,995, và độ chệch của các điểm nồng độ trong việc xây dựng đường chuẩn không được vượt quá ± 15% cho tất cả các nồng độ; riêng ở nồng độ LOQ, giới hạn chấp nhận có thể lên đến ± 20% Để xác định độ đúng và độ chính xác của phương pháp, một lượng CIP chuẩn được thêm vào nước tinh khiết và thực hiện ở 3 mức nồng độ với 3 mẫu độc lập cho mỗi mức Sau khi phân tích, nồng độ CIP trong các mẫu được xác định theo đường chuẩn trong phần tuyến tính Độ thu hồi (%) của CIP được tính bằng công thức: Độ thu hồi (%) = (Lượng ciprofloxacin thu hồi / Lượng ciprofloxacin thêm vào) x 100% Độ chính xác trong ngày được tính bằng RSD (%) của các độ thu hồi, trong khi độ chính xác khác ngày được xác định tương tự nhưng vào một ngày khác với RSD (%) của các độ thu hồi.

 Độ thu hồi của từng mức nồng độ phải nằm trong khoảng 98% - 102%

 RSD (%) của các tỉ lệ thu hồi ở từng mức nồng độ ≤ 2,0 %

 Độ chính xác trong ngày (ngày thứ nhất): RSD(%) của các độ thu hồi ≤ 2,0 %

 Độ chính xác khác ngày (ngày thứ hai):

 RSD (%) của các độ thu hồi của ngày thứ hai ≤ 2,0 %

RSD (%) của các độ thu hồi trong cả hai ngày không vượt quá 2,0% Để đảm bảo tính tuyến tính, độ đúng và độ chính xác, cần xác định khoảng Ngoài ra, cần chú ý đến giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng trong quá trình phân tích.

Giới hạn phát hiện (LOD) là nồng độ tối thiểu của chất phân tích mà hệ thống phân tích có thể nhận diện được tín hiệu khác biệt so với tín hiệu mẫu trắng hoặc tín hiệu nền, mặc dù chưa thể định lượng chính xác LOD được xác định tại nồng độ mà tín hiệu đạt khoảng 3 lần mức độ nhiễu của đường nền, thường được thể hiện qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N = 3.

Giới hạn định lượng (LOQ) là nồng độ tối thiểu của một chất trong mẫu thử mà có thể được xác định bằng phương pháp khảo sát, đảm bảo độ chính xác mong muốn LOQ được chấp nhận tại nồng độ mà tín hiệu lớn gấp nhiều lần so với độ ồn nền.

10 lần nhiễu đường nền, thông thường lấy S/N = 10

Trong đó: S: Chiều cao tín hiệu của chất phân tích

Tiến hành pha loãng dung dịch mẫu chuẩn đến nồng độ thấp nhất còn xác định được bằng sắc ký Xác định tỷ lệ S/N

2.3.1.2 Khảo sát các điều kiện hấp phụ Ciprofloxacin của vật liệu Cu 3 (BTC) 2

Quy trình thử nghiệm khả năng hấp phụ CIP của vật liệu Cu3(BTC)2 được thực hiện bằng cách cho 2 mg Cu3(BTC)2 vào bình nón chứa 50ml dung dịch CIP 20 ppm Thí nghiệm diễn ra ở nhiệt độ phòng, lắc với tốc độ 150 vòng/phút trong 30 phút, sau đó ly tâm ở 6000 rpm trong 10 phút Nồng độ CIP còn lại được xác định bằng phương pháp HPLC đã được thẩm định.

Dung lượng hấp phụ (Qt) được xác định theo công thức sau:

Qt: Dung lượng hấp phụ (mg/g)

C 0 : Nồng độ CIP ban đầu (mg/L)

C t : Nồng độ CIP tại thời điểm t (mg/L)

V: Thể tích dung dịch CIP (L) m: Lượng chất hấp phụ (g)

Hiệu suất loại CIP (H %) được tính theo công thức:

Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ciprofloxacin (CIP) lên vật liệu Cu3(BTC)2 pH của dung dịch là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến dạng tồn tại của ciprofloxacin và điện tích bề mặt của vật liệu Chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm với dung dịch CIP 20 ppm, điều chỉnh pH từ 4 đến 11, nhằm đánh giá tác động của tương tác tĩnh điện đến quá trình hấp phụ.

Từ đó, lựa chọn được giá trị pH của dung dịch CIP để dung lượng hấp phụ (Q) và hiệu suất loại CIP của vật liệu Cu3(BTC)2 cao nhất

 Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ

Lượng chất hấp phụ có ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng hấp phụ cũng như hiệu quả loại bỏ CIP trong dung dịch nước

Nghiên cứu này nhằm khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ bằng cách thêm từ 1 mg đến 5 mg Cu3(BTC)2 vào 50 ml dung dịch CIP 20 ppm có pH 7 và tiến hành lắc.

Trong nghiên cứu này, quá trình hấp phụ được thực hiện ở tốc độ 150 rpm trong 30 phút tại nhiệt độ phòng Sau đó, mẫu được ly tâm ở tốc độ 6000 rpm trong 10 phút Nồng độ CIP sau hấp phụ được xác định bằng phương pháp HPLC, nhằm đánh giá dung lượng hấp phụ và hiệu quả loại bỏ CIP trong nước của vật liệu Cu3(BTC)2.

Từ đó lựa chọn lượng chất hấp phụ Cu3(BTC)2 cho dung lượng hấp phụ cao và hiệu quả loại CIP phù hợp

 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

Tiến hành xử lý các mẫu chứa 50 ml dung dịch CIP 20 ppm theo quy trình hấp phụ ở trên trong các khoảng thời gian 10 phút; 15 phút; 20 phút; 30 phút và 60 phút

Dựa vào việc theo dõi nồng độ dung dịch CIP tại các thời điểm khác nhau, chúng ta có thể tính toán dung lượng hấp phụ và hiệu suất loại bỏ CIP của Cu3(BTC)2 tại từng thời điểm tương ứng.

Từ đó, lựa chọn được thời gian để quá trình hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng

 Khảo sát hiệu suất loại bỏ CIP của vật liệu Cu 3 (BTC) 2 theo nồng độ dung dịch CIP ban đầu

Tiến hành xử lý 50 ml dung dịch CIP với nồng độ từ 20 ppb đến 80 ppm theo quy trình hấp phụ đã được lựa chọn Đánh giá hiệu suất loại bỏ CIP của vật liệu Cu3(BTC)2 tại từng mức nồng độ khác nhau.

Dựa trên các kết quả thu được, bài viết xác định xu hướng ảnh hưởng của các yếu tố đến dung lượng hấp phụ và hiệu suất loại CIP của vật liệu Cu3(BTC)2 Đồng thời, bài viết cũng đề xuất các điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ CIP lên vật liệu Cu3(BTC)2.

2.3.2 Đánh giá khả năng loại ciprofloxacin của vật liệu Cu 3 (BTC) 2 trong nước thải

2.3.2.1 Khảo sát điều kiện khối phổ và thẩm định phương pháp định lượng ciprofloxacin trong nước thải bằng LC-MS/MS

Tham khảo tài liệu [5], quy trình phân tích ciprofloxacin trong nước thải dự kiến như sau:

Tiến hành xử lý với 100 ml mẫu nước thải như sau:

- Lọc nước thải 2 lần qua giấy lọc, ly tâm6000 rpm trong 10 phút, lọc qua màng lọccellulose acetat 0,45àm để xử lý sơ bộ để loại tạp

- Hoạt hóa cột bằng 5ml MeOH → 5 ml H 2 O → 5ml H2O đã điều chỉnh pH 2 bằng dung dịch HCl 10%; thêm 5 ml dung dịch Na2EDTA 5%

- Đưa 100 ml mẫu lên cột với tốc độ khoảng 0,8 ml/phút

- Rửa cột bằng 10 ml H2O với tốc độ khoảng 1 ml/ phút

- Loại nước dư thừa bằng hút chân không 10 phút

- Rửa giải bằng 10 ml MeOH

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

BÀN LUẬN

BTC) 2

BTC) 2 TRONG NƯỚC THẢI