Tài liệu Cố định enzyme lipase trên vật liệu nano fe3o4nps chitosan xúc tác cho phản ứng este chéo hóa dầu thực vật

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC ------------- NGUYỄN XUÂN NGUYÊN CỐ ĐỊNH ENZYME LIPASE TRÊN VẬT LIỆU NANO Fe3O4NPs-CHITOSAN XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG ESTE CHÉO HÓA DẦU THỰC VẬT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SƯ PHẠM Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC ------------- Đề tài: CỐ ĐỊNH ENZYME LIPASE TRÊN VẬT LIỆU NANO Fe3O4NPs-CHITOSAN XÚC TÁC CHO PHẢN ỨNG ESTE CHÉO HÓA DẦU THỰC VẬT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN SƯ PHẠM SVTH : NGUYỄN XUÂN NGUYÊN LỚP : 14SHH GVHD : PGS. TS. NGUYỄN BÁ TRUNG Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA HÓA HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Xuân Nguyên Lớp: 14SHH 1. Tên đề tài: “Cố định enzyme lipase trên vật liệu nano Fe3O4NPs-chitosan xúc tác cho phản ứng este chéo hóa dầu thực vật” 2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị - Hóa chất: FeSO4.7H2O, Fe2(SO4)3, dung dịch NH3 (25%), ethanol (99,5%), chitosan, glutaraldehyde (25%), methanol, enzyme lipase, dầu đậu nành nguyên chất. - Dụng cụ thủy tinh: Bình cầu ba cổ, cốc thủy tinh, sinh hàn, đũa thủy tinh… - Thiết bị: Máy khuấy từ, cân phân tích, tủ sấy, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), máy đo X-Ray, từ kế mẫu rung, thiết bị phân tích sắc ký ghép khối phổ GCMS, máy đo quang phổ hồng ngoại FT-IR. 3. Nội dung nghiên cứu - Điều chế các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs bằng phương pháp hóa học có kích thước đồng nhất và từ tính cao. - Cố định enzyme lipase lên vật liệu nano Fe3O4NPs-chitosan. - Thử hoạt tính xúc tác của sản phẩm điều chế thông qua phản ứng este chéo hóa dầu thực vật. 4. Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Bá Trung. 5. Ngày giao đề tài: 12/09/2017. 6. Ngày hoàn thành: 16/04/2018. Chủ nhiệm Khoa PGS. TS. Lê Tự Hải Giảng viên hướng dẫn PGS. TS. Nguyễn Bá Trung Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày ..... tháng .... năm 2018 Kết quả điểm đánh giá: ............. Ngày tháng năm 2018 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên, em được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới PGS.TS. Nguyễn Bá Trung, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em tận tình trong suốt thời gian nghiên cứu, hoàn thiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa, trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng đã giảng dạy, cung cấp kiến thức cho em trong 4 năm học vừa qua, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành công trình nghiên cứu này. Thân cảm ơn chị Nguyễn Vương Hoài Thư, học viên cao học khóa 33, ngành Hóa hữu cơ đã chia sẻ kinh nghiệm, kinh phí thực hiện, hướng dẫn và đồng hành cùng em trong suốt quá trình nghiên cứu. Em cũng vô cùng cảm ơn sự quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ của gia đình và bạn bè. Đây chính là nguồn động viên về tinh thần rất lớn đối với em trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Mặc dù đã cố gắng nhưng do trình độ nghiên cứu và thời gian có hạn nên báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự góp ý chân thành của các thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn. LỜI CAM ĐOAN Tôi, Nguyễn Xuân Nguyên xin cam đoan: 1. Những nội dung trong báo cáo này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Bá Trung. 2. Mọi tài liệu tham khảo dùng trong báo cáo đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. 3. Nếu có bất kỳ sự sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay sự gian trá trong khoa học tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. 4. Luận văn này là một phần của một nghiên cứu rộng hơn của luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chuyển hóa dầu đậu nành tạo biodiesel xúc tác bởi enzyme nano từ tính lipase” do học viên cao học Nguyễn Vương Hoài Thư, cao học Hóa hữu cơ K33 đang thực hiện, cũng như một phần của Đề tài cấp Bộ mã số B2016.ĐNA.08 do PGS.TS. Nguyễn Bá Trung làm chủ nhiệm đề tài. Tôi đồng ý đồng sở hữu kết quả nghiên cứu; học viên cao học Nguyễn Vương Hoài Thư và giảng viên hướng dẫn được sử dụng nội dung trong báo cáo này cho các công bố khoa học sau này. Đà Nẵng, ngày 16 tháng 04 năm 2018 Người thực hiện Nguyễn Xuân Nguyên MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................3 3. Ý nghĩa của đề tài ....................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................4 1.1. Tổng quan về vật liệu nano ..................................................................................4 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu nano .......................................................................4 1.1.2. Tính chất của vật liệu nano.......................................................................4 1.1.3. Phân loại vật liệu nano .............................................................................5 1.2. Nano oxit sắt từ (Fe3O4NPs) ................................................................................6 1.2.1. Cấu trúc tinh thể .......................................................................................6 1.2.2. Tính chất của hạt nano Fe3O4NPs ............................................................7 1.2.3. Ứng dụng ..................................................................................................8 1.2.4. Các phương pháp điều chế .....................................................................12 1.2.5. Các phương pháp phân tích hóa-lý xác định đặc trưng vật liệu .............16 1.3. Tổng quan xúc tác enzyme .................................................................................19 1.3.1. Định nghĩa enzyme .................................................................................19 1.3.2. Cấu tạo của enzyme ................................................................................19 1.3.3. Phân loại enzyme....................................................................................19 1.3.4. Cơ chế xúc tác của enzyme ....................................................................20 1.4. Xúc tác nano enzyme .........................................................................................20 1.4.1. Các phương pháp điều chế nano enzyme ...............................................20 1.4.2. Ưu và nhược điểm của việc sử dụng xúc tác nano enzyme ...................22 1.4.3. Hướng nghiên cứu về xúc tác nano enzyme từ tính trong khoảng thời gian gần đây ..............................................................................................................23 1.5. Enzyme lipase ....................................................................................................25 1.5.1. Giới thiệu và ứng dụng ...........................................................................25 1.5.2. Các hướng nghiên cứu về nano enzyme lipase ......................................27 CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............30 2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị .................................................................................30 2.1.1. Hóa chất ..................................................................................................30 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị .....................................................................................30 2.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................30 2.2.1. Tổng hợp hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs................................................30 2.2.2. Tổng hợp vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs-chitosan ...............................31 2.2.3. Cố định enzyme lipase lên vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs-chitosan ....31 2.2.4. Phản ứng este chéo hóa dầu thực vật xúc tác bởi enzyme lipase cố định .....32 2.2.5. Sơ đồ quy trình thực hiện .......................................................................32 2.2.6. Phân tích đặc trưng vật liệu ....................................................................33 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................35 3.1. Tổng hợp hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs và xác định đặc trưng của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hóa-lý ............................................................................35 3.1.1. Tổng hợp hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs................................................35 3.1.2. Xác định các đặc trưng của vật liệu bằng phương pháp phân tích hóa-lý ..37 3.2. Tổng hợp vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs-chitosan và xác định đặc trưng của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hóa-lý.......................................................41 3.2.1. Tổng hợp vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs-chitosan......................................41 3.2.2. Xác định các đặc trưng của vật liệu bằng phương pháp phân tích hóa-lý ..42 3.3. Cố định enzyme lipase lên bề mặt vật liệu Fe3O4NPs-chitosan và phân tích đặc trưng của sản phẩm. ..................................................................................................45 3.3.1. Cố định enzyme lipase lên bề mặt vật liệu Fe3O4NPs-chitosan .............45 3.3.2. Phân tích đặc trưng của sản phẩm enzyme cố định Fe3O4NPs-chitosanlipase..........................................................................................................................46 3.4. Phản ứng este chéo hóa dầu thực vật sử dụng xúc tác enzyme lipase cố định ..49 3.4.1. Phương pháp tiến hành ...........................................................................49 3.4.2. Kết quả GC-MS ......................................................................................50 KẾT LUẬN ..............................................................................................................52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................53 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 Ứng dụng của lipase 27 3.1 Thành phần định lượng các nguyên tố trong mẫu Fe3O4NPs 40 3.2 Thành phần các chất có trong biodiesel 51 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Phân loại vật liệu nano: (a) vật liệu nano không chiều (OD) 5 hình 1.1 hạt nano; (b) vật liệu nano một chiều (1D) dây nano và ống nano; (c) vật liệu nano hai chiều (2D) màng mỏng nano, lưới nano; (d) vật liệu nano ba chiều (3D) 1.2 Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 7 1.3 Đường cong từ hóa của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước 8 1.4 Nguyên lý dẫn truyền thuốc bằng các hạt mang từ tính 9 1.5 Quy trình phân tách sinh học sử dụng hạt nano Fe3O4NPs. 10 1.6 Kỹ thuật tăng thân nhiệt cục bộ bằng hạt nano từ tính 11 1.7 Xử lí nước ô nhiễm bằng hạt nano từ tính 12 1.8 Điều chế hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs bằng phương pháp vi 14 nhũ tương 1.9 Quá trình tạo mầm và phát triển thành hạt nano 15 1.10 Sơ đồ cấu tạo thiết bị từ kế mẫu rung 16 1.11 Sơ đồ cấu tạo phổ kế hồng ngoại Fourier 18 1.12 Cố định enzyme bằng phương pháp hấp phụ 21 1.13 Cố định enzyme bằng phương pháp liên kết cộng hóa trị 22 1.14 Phản ứng thủy phân triacylglyceride thành glixerol và các axit béo 25 1.15 Mô hình enzyme lipase 26 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp hệ xúc tác Fe3O4NPs-chitosan-lipase 32 2.2 Sơ đồ quy trình tổng hợp biodiesel sử dụng hệ xúc tác 33 enzyme lipase cố định 3.1 Sự đổi màu sắc của dung dịch phản ứng: màu của hỗn hợp dung dịch muối Fe2+ và Fe3+ trước phản ứng (a); khi nhỏ dung dịch NH3 (b); sau khi thêm dung dịch NH3 (c); sau khi gia nhiệt và để nguội ở nhiệt độ phòng (d). 36 Số hiệu Tên hình Trang Các hạt nano Fe3O4NPs được phân tán trong ethanol khi 36 hình 3.2 không có từ trường ngoài (a), khi có từ trường ngoài (b), sau khi sấy khô (c) 3.3 Ảnh TEM của hạt nano Fe3O4NPs 37 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X của Fe3O4 (a) và γ-Fe2O3 (b) 38 3.5 Phổ nhiễu xạ tia X của Fe3O4NPs 39 3.6 Phổ hồng ngoại (FT-IR) của Fe3O4NPs 39 3.7 Phổ EDX của Fe3O4NPs 40 3.8 Đường cong từ trễ của Fe3O4NPs 41 3.9 Ảnh TEM của hạt nano Fe3O4NPs (a) và Fe3O4NPs-chitosan (b) 42 3.10 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu Fe3O4NPs-chitosan 43 3.11 So sánh giản đồ nhiễu xạ của hạt nano Fe3O4NPs (a), của vật 43 liệu Fe3O4NPs-chitosan (b) 3.12 Phổ hồng ngoại (FT-IR) của chitosan (a) và Fe3O4NPs- 44 chitosan (b) 3.13 Đường cong từ trễ của Fe3O4NPs và Fe3O4NPs-chitosan 45 3.14 Enzyme cố định sau khi sấy 46 3.15 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu Fe3O4NPs-chitosan-lipase 47 3.16 So sánh giản đồ nhiễu xạ của hạt nano Fe3O4NPs (a), của vật 47 liệu Fe3O4NPs-chitosan (b), của Fe3O4NPs-chitosan-lipase (c) 3.17 Phổ hồng ngoại (FT-IR) của lipase tự do (a), lipase cố định (b) 48 3.18 Đường cong từ trễ của Fe3O4NPs, Fe3O4NPs-chitosan và 49 Fe3O4NPs-chitosan-lipase 3.19 Hỗn hợp dầu và n-hexan trước khi cho xúc tác (a), hỗn hợp 50 dầu và n-hexan sau khi cho xúc tác và khuấy trên máy khuấy từ (b), sản phẩm sau khi thu hồi xúc tác bằng từ trường ngoài (c). 3.20 Sắc ký đồ GC-MS của biodiesel thu được từ phản ứng este chéo 50 Số hiệu Tên hình hình hóa dầu đậu nành trên hệ xúc tác Fe3O4NPs-chitosan-lipase. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT EDX : Energy-dispersive X-ray spectroscopy FT-IR : Fourier transforms infrared spectroscopy GC/MS : Gas chromatography–Mass spectrometry TEM : Transmission Electron Microscopy VSM : Vibrating Sample Magnetometer XRD : X-ray Diffraction Trang MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự gia tăng khí thải do việc đốt nhiên liệu hóa thạch dẫn đến yêu cầu cấp thiết phải tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới thay thế. Nhiên liệu sinh học (biodiesel) là loại nhiên liệu tái sinh có nhiều ưu điểm vượt bậc so với nhiên liệu truyền thống: khả năng phân hủy sinh học cao, không độc hại, an toàn và thân thiện với môi trường [29]. So với dầu diesel có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch (petrodiesel), biodiesel có chỉ số cetane cao hơn, không chứa các hiđrocacbon thơm, hầu như không chứa lưu huỳnh và chỉ chứa 10%-11% oxi về khối lượng, vì vậy sử dụng biodiesel làm nhiên liệu sẽ giảm thiểu được lượng khí cacbon monooxit và các hiđrocacbon trong khí thải [3],[4]. Biodiesel là các mono-ankyl este của các axit béo được sản xuất bằng phản ứng este chéo hóa dầu thực vật (tryglycerides) và các ancol mạch ngắn (methanol, ethanol, buthanol,…) sử dụng xúc tác axit hoặc bazơ (xúc tác hóa học), hay enzyme lipase (xúc tác sinh học) [1], [26]. Công nghệ sản xuất biodiesel hiện nay chủ yếu sử dụng xúc tác kiềm với hiệu suất chuyển hóa cao. Tuy nhiên, xúc tác kiềm cũng có một số nhược điểm: phản ứng xà phòng hóa ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm biodiesel, quy trình tách loại xúc tác, glixerol và lượng ancol dư sau phản ứng phức tạp, giá thành cao do chi phí xử lí nước thải sau khi tinh chế biodiesel, không thân thiện với môi trường,…[7]. So với xúc tác hóa học, sử dụng xúc tác sinh học (enzyme lipase) cho phản ứng thủy phân lipid có một số ưu điểm vượt trội: điều kiện phản ứng êm dịu, cả tryglycerides và các axit béo tự do trong dầu nguyên liệu đều có khả năng bị este hóa, hạn chế phản ứng thứ cấp, thân thiện với môi trường,... Chính vì lẽ đó, công nghệ sản xuất biodiesel sử dụng xúc tác enzyme đang là xu thế mới và nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học [13]. Enzyme lipase (EC 3.1.1.3 triacylglycerol acylhydrolase) có khả năng xúc tác cho nhiều loại phản ứng như phản ứng thủy phân (hydrolysis), phản ứng alcoholysis, phản ứng este hóa (esterification), phản ứng este chéo hóa (transesterification), vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất và dược phẩm [14]. Tuy nhiên, việc sử dụng xúc tác enzyme lipase để sản xuất 1 biodiesel trong công nghiệp còn gặp rất nhiều khó khăn bởi: giá thành của enzyme cao, khó thực hiện do không tan trong dầu, enzyme hòa tan trong nước nên khó thu hồi,…Vì lẽ đó, việc cố định enzyme trên bề mặt chất mang ngày càng được các nhà khoa học lưu ý nhằm tăng tính ổn định của enzyme trong các điều kiện phản ứng khác nhau, thu hồi enzyme sau phản ứng và tái sử dụng, góp phần làm giảm giá thành sản xuất [20], [28]. Nano oxit sắt từ Fe3O4 (Fe3O4 nano particles – Fe3O4NPs) là chất mang được sử dụng phổ biến trong kĩ thuật cố định enzyme nhờ những tính chất đặc biệt của một vật liệu nano từ tính: diện tích bề mặt riêng lớn nên tăng cường khả năng mang enzyme [27]; độ từ bão hòa lớn và tính siêu thuận nên cung cấp kĩ thuật đơn giản để thu hồi enzyme bằng từ trường ngoài và tái sử dụng cho phản ứng liên tục [10], độc tính không đáng kể [25]. Kết quả của nhiều nghiên cứu đã khẳng định enzyme được cố định lên bề mặt hạt nano Fe3O4NPs vẫn giữ được hoạt tính xúc tác [12]. Tuy nhiên, Fe3O4 có tính ổn định thấp bởi nó dễ dàng bị oxi hóa trong không khí [21] làm giảm từ tính và độ phân tán của vật liệu [11]. Thêm vào đó, bề mặt Fe3O4 với hoạt tính hóa học có thể là nguyên nhân gây ra sự bất hoạt enzyme [11]. Vì vậy, việc biến tính bề mặt Fe3O4NPs bằng nhóm chức phù hợp như nhóm –NH2, COOH, -SH, -CH=CH2 nhằm nâng cao độ tương thích sinh học giữa chất mang và enzyme cũng như độ bền của hạt nano góp phần làm tăng hiệu suất cố định enzyme [13], [19]. Chitosan là một loại polyme tự nhiên trong phân tử có chứa nhóm chức amino (–NH2) và hidroxyl (–OH) liên kết rất hiệu quả với enzyme. Nó được sản xuất từ quá trình xử lý vỏ các loại giáp xác-nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền [34]. Tổng hợp vật liệu nano từ tính cấu trúc lõi-vỏ (core-shell) Fe3O4NPs-chitosan dùng làm chất mang trong công nghệ cố định enzyme đem lại hiệu quả đáng kinh ngạc đã được chứng minh qua nhiều công trình nghiên cứu [30]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành cố định enzyme lipase trên vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs-chitosan và đánh giá hoạt tính xúc tác của nó thông qua phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành, từ đó định hướng ứng dụng trong sản xuất 2 biodiesel - nhiên liệu sinh học thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm. Với những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Cố định enzyme lipase trên vật liệu nano Fe3O4NPs-chitosan xúc tác cho phản ứng este chéo hóa dầu thực vật”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Điều chế enzyme lipase cố định trên vật liệu nano Fe3O4NPs-chitosan và đánh giá hoạt tính thông qua hiệu quả xúc tác phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành. 3. Ý nghĩa của đề tài Về mặt khoa học: Cung cấp thông tin khoa học về quá trình tổng hợp hạt nano oxit sắt từ, vật liệu nano Fe3O4NPs-chitosan, enzyme lipase cố định trên vật liệu nano Fe3O4NPs-chitosan và tính chất của chúng. Về mặt ứng dụng: Kết quả nghiên cứu của luận văn hi vọng được phát triển và mở rộng hơn nữa để phục vụ trong lĩnh vực công nghiệp năng lượng. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về vật liệu nano 1.1.1. Giới thiệu về vật liệu nano Vật liệu nano là những vật liệu được đặc trưng bởi ít nhất một kích thước trong phạm vi nano met (1 nm = 10-9 m). Các vật liệu nano rất được quan tâm trong vài thập kỉ qua vì ở kích thước nano met, các đặc tính quang học, từ tính, điện và các tính chất đặc biệt khác mà vật liệu truyền thống không có được bắt đầu xuất hiện. Là đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano và khoa học nano, sự tìm ra, sử dụng và phát triển vật liệu nano có vai trò như một cuộc cách mạng trong ngành khoa học và kĩ thuật vật liệu, có tiềm năng gây ra những tác động lớn trong điện tử, y học và các lĩnh vực khác. 1.1.2. Tính chất của vật liệu nano 1.1.2.1. Hiệu ứng bề mặt Mặc dù cấu trúc nguyên tử và điện tử bề mặt tham gia xác định cách vật liệu tương tác với môi trường xung quanh, ảnh hưởng của hóa học bề mặt đối với phần lớn vật liệu nhìn chung không đáng kể. Tuy nhiên, trong trường hợp vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn như chất rắn nano, tính chất bề mặt có thể bắt đầu chiếm ưu thế trong hoạt động của vật liệu [2]. Nguyên nhân do bởi khi vật liệu có kích thước nano met, số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy, các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt, sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nano met khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. 1.1.2.2. Kích thước tới hạn Mỗi một tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của nhiều tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nano met. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lý, hóa học đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so 4 sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó. 1.1.3. Phân loại vật liệu nano 1.1.3.1 Phân loại theo hình dáng của vật liệu Phân loại vật liệu nano theo hình dáng của vật liệu được trình bày ở hình 1.1. - Vật liệu nano không chiều (OD) là vật liệu trong đó cả ba chiều đều có kích thước nano, ví dụ: đám nano, hạt nano. (hình 1.1a) - Vật liệu nano một chiều (1D) là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, ví dụ: dây nano, ống nano. (hình 1.1b) - Vật liệu nano hai chiều (2D) là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ: màng mỏng nano. (hình 1.1c) - Vật liệu nano ba chiều (3D) là vật liệu trong đó không có chiều nào có kích thước nano nhưng thể hiện những tính năng ở cấp độ nano, vì nó chứa đựng sự phân tán các hạt nano, bó các dây nano hoặc các ống nano cũng như các lớp nano chồng lên nhau. (hình 1.1d) Hình 1.1: Phân loại vật liệu nano: (a) vật liệu nano không chiều (OD) hạt nano; (b) vật liệu nano một chiều (1D) dây nano và ống nano; (c) vật liệu nano hai chiều (2D) màng mỏng nano, lưới nano; (d) vật liệu nano ba chiều (3D) [2]. - Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano met, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. 1.1.3.2. Phân loại dựa theo bản chất và tính chất của vật liệu Dựa vào bản chất và tính chất của vật liệu nano, có thể phân loại: vật liệu nano kim loại, vật liệu nano bán dẫn, vật liệu nano từ tính, vật liệu nano sinh học ... 5 Trong nhiều trường hợp có thể phối hợp hai cách phân loại với nhau, hoặc phối hợp hai khái niệm nhỏ để tạo ra các khái niệm mới. Ví dụ, "hạt nano kim loại" trong đó "hạt" được phân loại theo hình dáng, "kim loại" được phân loại theo tính chất hoặc "vật liệu nano từ tính sinh học" trong đó cả "từ tính" và "sinh học" đều là khái niệm có được khi phân loại theo tính chất. 1.2. Nano oxit sắt từ (Fe3O4NPs) 1.2.1. Cấu trúc tinh thể Fe3O4 thuộc nhóm vật liệu ferit – là nhóm vật liệu từ có công thức tổng quát AB2O4, trong đó A và B là những ion kim loại, mà trong trường hợp này A là các ion Fe2+ và B là các ion Fe3+ (Fe2+𝐹𝑒23+ O42-). Cấu trúc chi tiết của tinh thể Fe3O4 được xác lập vào năm 1915 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Cụ thể, ở điều kiện thường, các tinh thể Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo, trong đó các nguyên tử oxi tạo thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt xếp chặt với các ion Fe2+ và Fe3+ chiếm các nút ngoài. Một nửa số ion Fe3+ nằm tại các lỗ hổng tứ diện được giới hạn bởi 4 ion O2- (phân mạng A), một nửa số ion Fe3+ còn lại và toàn bộ ion Fe2+ nằm tại các lỗ hỗng bát diện được giới hạn bởi 6 ion O2- (phân mạng B). Mỗi tế bào mạng chứa 8 phân tử Fe3O4, tức là chứa 32 anion O2-, 8 cation Fe2+ và 16 cation Fe3+ (tỉ lệ Fe2+ : Fe3+ = 1 : 2) [17]. Các giá trị hằng số mạng a = b = c = 0,8396 nm. Cấu trúc spinel của Fe3O4 được minh hoạ ở hình 1.2. Trong tinh thể của Fe3O4, ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng A và B với số lượng như nhau nên triệt tiêu từ tính lẫn nhau. Vì vậy, từ độ của phân tử Fe3O4 được đặc trưng bởi momen từ của các spin trong các ion Fe2+ ở vị trí lỗ hổng bát diện, với tổng độ lớn là 4 μB (Bohr magneton). 6 Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 1.2.2. Tính chất của hạt nano Fe3O4NPs 1.2.2.1. Bề mặt riêng lớn Kích thước hạt càng nhỏ thì bề mặt riêng của các hạt càng lớn. Ví dụ, với cùng một khối lượng vật liệu, nếu nghiền vật liệu đó thành các hạt hình cầu có đường kính 10 nm thì bề mặt riêng thu được sẽ gấp 106 lần trường hợp các hạt có đường kính 1 cm. Bề mặt riêng càng lớn, các hiệu ứng liên quan đến bề mặt như khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt,… của hạt nano sẽ lớn hơn nhiều so với vật liệu dạng khối. 1.2.2.2. Hiện tượng siêu thuận từ Hiện tượng siêu thuận từ xảy ra đối với vật liệu từ ở kích thước nano met, khi đó vật liệu biểu hiện các tính chất giống như chất thuận từ, ngay dưới nhiệt độ Curie. Có thể nói đây là một trạng thái trung gian giữa paramagnetic và ferromagnetic, nghĩa là vật liệu có từ độ lớn và dễ bị từ hóa khi đặt trong từ trường, triệt tiêu hoàn toàn từ tính khi từ trường bị loại bỏ. Đây là một hiệu ứng kích thước, khi kích thước hạt giảm quá nhỏ, năng lượng định hướng (mà chi phối chủ yếu ở đây là năng lượng dị hướng từ tinh thể) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng nhiệt, khi đó năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự định hướng song song của các mômen từ, và khi đó mômen từ của hệ hạt sẽ định hướng hỗn loạn như trong chất thuận từ. Khi vật 7 liệu đạt trạng thái siêu thuận từ, đường cong từ hóa là một đường thuận nghịch, có từ dư bằng 0 và giá trị của lực kháng từ bằng 0. (hình 1.3) Hình 1.3: Đường cong từ hóa của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước 1.2.2.3. Độ tương thích sinh học Hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs thích hợp cho những ứng dụng sinh học vì những lí do sau: tính siêu thuận từ cho phép các hạt không bị thu hút bởi nhau, do đó giảm nguy cơ tích tụ trong cơ thể; sắt là một kim loại tự nhiên xuất hiện trong cơ thể người (ví dụ: ferritin-1 protein tế bào máu có chứa sắt), vì vậy các hạt nano Fe3O4NPs có khả năng tương thích sinh học khi cơ thể có thể thích nghi và chuyển hóa các hạt thành những phần tử của cơ thể sử dụng cho quá trình trao đổi chất [9]. 1.2.3. Ứng dụng 1.2.3.1. Trong lĩnh vực y sinh a. Dẫn truyền thuốc Hệ các hạt nano từ tính dưới dạng chất lỏng từ được gắn kết với thuốc điều trị có thể được sử dụng như chất mang thuốc đến vị trí xác định trong cơ thể nhờ sự điều khiển của từ trường ngoài (hình 1.4). Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là: thu hẹp phạm vi phân bố thuốc trong cơ thể giảm tác dụng phụ của thuốc, giảm lượng thuốc cần dùng trong điều trị. Khi hệ chất mang-thuốc tập trung vào vị trí đích, quá trình nhả thuốc có thể xảy ra phụ thuộc vào cơ chế phân phối, các điều kiện sinh lí (pH, nhiệt độ) hay quá trình khuếch tán… Phương pháp dẫn truyền thuốc bằng hạt nano từ tính trong điều trị bệnh (ung thư) được thử nghiệm rất thành 8 công trên động vật. Việc ứng dụng phương pháp này trên người bước đầu mang lại những kết quả rất khả quan [31]. Hình 1.4: Nguyên lý dẫn truyền thuốc bằng các hạt mang từ tính b. Phân tách và chọn lọc tế bào Công nghệ sinh học ngày càng phát triển đặt ra nhu cầu thiết yếu về những quy trình đơn giản và nhanh chóng trong việc cách li và thanh lọc các phân tử sinh học khác nhau như protein, DNA, kháng thể, axit nucleic và kháng nguyên ở dạng tinh khiết [16]. Phương pháp phân tách sinh học sử dụng hạt nano từ tính đơn giản, nhanh chóng và linh hoạt nên nhận được sự quan tâm to lớn trong lĩnh vực y sinh. Một ví dụ minh họa về quá trình phân tách sinh học sử dụng hạt nano Fe3O4NPs được mô tả trong hình 1.5. Ở giai đoạn chọn lọc, hạt nano từ tính có khả năng liên kết với một số phần tử sinh học nhất định trong một hệ nhiều phần tử giống như cơ chế kháng thể-kháng nguyên. Sau đó, quá trình phân tách được thực hiện bằng từ trường ngoài, giữ lại các phần tử được đánh dấu trong khi các phần tử khác thoát ra ngoài. Bề mặt của hạt nano Fe3O4NPs thường được biến tính không những để tạo khả năng liên hợp đặc hiệu với phần tử sinh học mong muốn mà còn giúp các hạt nano phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của hạt. Kích thước của hạt nano cũng được kiểm soát từ vài nano met đến hàng chục micro met, tương đương với tế bào (10-100 μm), protein (5-50 nm) và các gen (10-100 nm). Sau bước tách loại, các phân tử đích sẽ được phục hồi bằng bước rửa giải và các hạt nano từ tính có thể tái sử dụng. 9