Nghiên cứu cắt mạch chitosan trương trong dung dịch h2o2 bằng bức xạ gamma co 60

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………………………. 1
DANH MỤC BẢNG………………………………………………… 2
DANH MỤC HÌNH…………………………………………………. 3
MỞ ĐẦU……………………………………………………….......... 6
Chƣơng 1. TỔNG QUAN…………………………………………… 7
1.1. Giới thiệu về chitosan……………………………………………. 7
1.2. Cấu tạo của chitosan……………………………………………... 7
1.3. Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lý…………………………...

8

1.4. Tính chất hóa học………………………………………………... 10
1.5. Ứng dụng của chitosan…………………………………………… 11
1.6. Các phương pháp cắt mạch chitosan…………………………… 12
1.7. Thực trạng nghiên cứu và ứng dụng chitosan cắt mạch………... 14
1.8 Giới thiệu về công nghệ bức xạ…………………………………. 15
1.8.1.Một số khái niệm và định nghĩa……………………………… 15
1.8.2. Sự phát triển của Hóa học bức xạ và Công nghệ Bức xạ…… 16
1.8.3. Nguồn bức xạ………………………………………………… 17
1.9. Thuyết gốc tự do về phân li bức xạ……………………………… 18
Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU – THỰC NGHIỆM…………………… 20
2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất………………………………………

20

2.2. Thiết bị, dụng cụ………………………………………………… 20
2.3. Phương pháp…………………………………………………….. 21
2.3.1. Xác định độ ẩm và độ trương nước bão hòa…………….. 21
1

2.3.2. Xác lập điều kiện cắt mạch bằng bức xạ gamma Co-60 chitosan
trương trong H2O2……………………………….………... 22
2.3.3. Xác định ĐĐA và cấu trúc của chitosan………………..

22

2.3.4. Xác định KLPT và PI của chitosan……………………..

23

Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN…………………………

26

3.1. Độ ẩm và độ trương nước bão hòa của chitosan……………..

26

3.2. Kết quả cắt mạch bức xạ của chitosan theo độ trương………..

27

3.3. Kết quả cắt mạch bức xạ của chitosan theo nồng độ H2O2.......

30

3.4. Kết quả cắt mạch bức xạ của chitosan theo liều xạ…………..

32

Chƣơng 4.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………

36

4.1. KẾT LUẬN………………………………………………......

36

4.2. KIẾN NGHỊ …………………………………………………

37

TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………

38

PHỤ LỤC……………………………………………………………

41

2


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CTS

Chitosan

KLPT

Khối lượng phân tử khối

ĐĐA

Độ đề axetyl

PI

Độ đa phân tán của polyme

CNBX

Công nghệ bức xạ

ĐTNBH

Độ trương nước bão hòa

ĐTNBH

Độ trương nước bão hòa trung bình

ĐSGKLPT

Độ suy giảm khối lượng phân tử

Mw

Kí hiệu khối lượng phân tử khối

FTIR

Phương pháp phổ hồng ngoại

GPC

Phương pháp sắc kí gel thấm qua

W/V

Khối lượng/thể tích

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang
Hình 1.1:

Cấu tạo của chitosan (CTS)

7

Hình 1.2:

Công thức cấu tạo của chitosan

8

Hình 1.3:

Hình dạng và màu sắc của chitosan

8

Hình 2.1:

Đường chuẩn tương quan giữa KLPT và thời gian lưu
của Pulullan

24

Hình 3.1:

Sản phẩm CTS cắt mạch ở dạng trương trong dung dịch
H2O2 5% với tỉ lệ trương CTS/H2O2 (w/v) khác nhau

27

Hình 3.2:

Phổ IR của CTS cắt mạch ở dạng trương trong H2O2
5% theo các tỉ lệ CTS/H2O2 (w/v) là 1:0 (a – CTS
khô); 1:4 (b); 1:6 (c) và 1:8 (d)

28

Hình 3.3:

Sơ đồ cơ chế bắt gốc tự do hydroxyl, L.B. Grigolon et
al. (2000)

30

Hình 3.4:

Sản phẩm CTS cắt mạch ở những nồng độ H2O2 khác

30

nhau
Hình 3.5:

Phổ IR của CTS cắt mạch theo nồng độ H2O2 0% (5 ml
H2O /1g CTS, a); 5% (b); 7,7% (c) và 10% (d)

32

Hình 3.6:

Phổ IR của CTS ban đầu (a) và CTS cắt mạch theo liều
xạ 7 kGy (b); 10,5 kGy (c); 14 kGy (d).

34

Hình 3.7:

Chitosan cắt mạch liều xạ 7 kGy, H2O2 5%/CTS =

34

5ml/g, Mw ~30 kDa, ĐĐA~88%
Hình 3.8:

Quy trình chế tạo chitosan KLPT thấp, Mw ~30 kDa,
ĐĐA~88%

4

35


DANH MỤC BẢNG

Trang
Bảng 2.1: KLPT và thời gian lưu của các mẫu chuẩn Pullulan

24

Bảng 3.1: Các thông số xác định độ ẩm của chitosan ban đầu

26

Bảng 3.2: Các thông số xác định độ trương của chitosan ban đầu

27

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của độ trương đến KLPT và ĐĐA của
chitosan

28

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến KLPT và ĐĐA
của chitosan

31

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của liều xạ đến KLPT và ĐĐA của
chitosan

33

5


MỞ ĐẦU
Chitosan là polyme cation có nguồn gốc tự nhiên, là sản phẩm của
quá trình đề axetyl hóa chitin được chiết tách từ lớp vỏ của những loài giáp
xác. Chitosan và các dẫn xuất của nó đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp dược phẩm, mỹ phẩm, công nghệ
enzim và tế bào như: làm màng phủ vết thương, vết bỏng, kem dưỡng da…
Tùy thuộc vào khối lượng trung bình (Mw), độ đề axetyl (ĐĐA) và khả
năng hòa tan mà chitosan có những tính chất độc đáo như: tạo phức với ion
kim loại nặng, kháng khuẩn, kháng khối u, kháng đông [1]… và đặc biệt là

khả năng ngăn chặn sự tiến triển của bệnh đái tháo đường đã được tìm thấy
trên chuột [2].
Trong nông nghiệp, chitosan dùng làm chất bảo quản nông phẩm,
chất điều hòa sinh trưởng, chất điều trị nấm bệnh thực vật góp phần phát
triển nền nông nghiệp sinh thái bền vững [1, 3]. Các dẫn xuất khi cắt mạch
chitosan có rất nhiều ứng dụng nhờ hoạt tính sinh học của nó. Chitosan
khối lượng phân tử thấp và oligome của nó có đặc tính dễ tan hơn trong
môi trường gần trung tính, vì vậy khả năng ứng dụng được mở rộng, đặc
biệt là trong nghiên cứu in vivo [4].
Nhờ tạo ra các dẫn xuất có nhiều ứng dụng nên quá trình cắt mạch
chitosan gần đây được tập trung nghiên cứu, theo nhiều hướng cắt mạch
khác nhau, chủ yếu là trong dung dịch. Quá trình cắt mạch chitosan ở trạng
thái trương vẫn ít được chú ý và còn nhiều điều mới, cần được nghiên cứu
thêm. Với ý nghĩa đó tôi chọn đề tài “Nghiên cứu cắt mạch chitosan
trƣơng trong dung dịch H2O2 bằng bức xạ gamma Co – 60’’ làm đề tài
nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2012.

6


Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về chitosan
Chitosan là một polysaccharide tự nhiên được đề axetyl hóa từ nguồn
chitin có mặt phổ biến trong vỏ của, tôm, côn trùng, mai mực… và một số
loài nấm. Chitosan thuộc loại polyme sinh học tự phân hủy, được đánh giá
là có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp,
dược phẩm, môi trường… và được quan tâm nghiên cứu nhiều trong thời
gian gần đây.
1.2. Cấu tạo của chitosan
Chitosan là một copolymer phân hủy sinh học cao gồm các đơn vị D

– glucosamine và N – acetyl – D – glucosamine, là sản phẩm thu được từ
quá trình đề axetyl, tách gốc axetyl khỏi nhóm amino ở vị trí C2. Đơn vị
cấu tạo trong phân tử chitosan là D – gucosamin, các mắt xích được liên
kết với nhau như hình 1.1.

Hình 1.1: Cấu tạo của chitosan (CTS)

- Tương tác Vander Wall (d = 0,3 – 0,6 µm).
- Liên kết  - glucozit mỗi mắt xích lệch nhau một góc 1800 tạo nên
mạch xoắn.
7


- Khi khoảng cách giữa các mắt xích quá nhỏ (0,3 µm) giữa chúng
xuất hiện liên kết hydro, do tương tác giữa nhóm –OH, –NH2 trong
phân tử
Hình 1.1 là cấu trúc chitosan trên lý thuyết. Thực tế, mạch phân tử
chitosan vẫn tồn tại nhóm axetyl, đan xen do sự đề axetyl hóa chưa hoàn
toàn. Do đó công thức cấu tạo chính xác của chitosan có thể biểu diễn như
hình 1.2.

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của chitosan
1.3. Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lý
Chitosan có cấu trúc tinh thể về thực chất không đổi so với cấu trúc
của chitin. Ở trạng thái tự nhiên chitosan là chất không mùi, không vị, rắn
xốp nhẹ, hình vảy có thể xay nhỏ với kích thước khác nhau, có màu trắng
hoặc vàng nhạt (hình 1.3).

Hình 1.3: Hình dạng và màu sắc của chitosan
8

Độ tan của các polysaccharide phụ thuộc khá nhiều vào liên kết
hydro và nhóm –NH2 tự do. Chitin có nhiều liên kết hydro nên chúng dễ bị
phân chia nhỏ ở nhiệt độ cao, đặc tính hóa học này làm cho chitin khó hòa
tan trong nước, axit loãng, ancol, hoặc trong những dung môi hữu cơ dưới
điều kiện bình thường. Khác với chitin, chitosan do có nhóm – NH2 tự do
không tan trong nước nhưng tan dễ dàng trong các dung môi hữu cơ như
axit formic, axit adipic, axit axetic… trong trường hợp này nhóm amin tự
do bắt đầu hình thành nhóm – NH3+ . Nhờ đặc tính này mà chitosan có giá trị
ứng dụng cao hơn chitin do có thể chế tạo thành nhiều dạng khác nhau như
màng mỏng, sợi, bột…
Một thông số rất quan trọng của chitosan là độ đề axetyl hóa (ĐĐA)
hoặc độ axetyl hóa (ĐA = 100 – ĐĐA). Thực chất là sự khác nhau về hàm
lượng của nhóm –NHCOCH3 và nhóm –NH2 trong chitin và chitosan. Sự
khác biệt về hàm lượng của các nhóm trên dẫn tới sự khác biệt rõ rệt về
tính chất của hai loại polyme này. Chitosan có độ đề axetyl khác nhau dẫn
tới sự khác nhau về khối lượng phân tử, độ nhớt, khả năng hòa tan trong
axit… Khi chitin được đề axetyl hóa do điều kiện khắt khe của sự đề axetyl
hóa như nồng độ NaOH, nhiệt độ, thời gian đề axetyl… dẫn đến sự cắt
mạch làm cho chitosan tạo ra có độ dài mạch ngắn hơn so với chitin gốc.
Độ đề axetyl càng cao thì khối lượng phân tử và độ nhớt càng giảm. Độ
nhớt của chitosan trong axit axetic bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như độ đề
axetyl, khối lượng phân tử, pH, nhiệt độ…
Chitosan khô không có điểm chảy. Khi để chitosan ở nhiệt độ
khoảng 400C trong thời gian dài, khả năng hòa tan và độ nhớt của dung
dịch tạo thành từ chitosan bị thay đổi. Độ nhớt thu được khi hòa tan
chitosan trong axit hữu cơ tăng từ từ và phụ thuộc vào độ dài của thời gian
lưu trữ trong điều kiện trên. Nếu được lưu trữ theo cách đó trong thời gian
9

đủ dài nó sẽ trở nên không tan trong các dung dịch axit hữu cơ: Điều này
được giải thích là do sự hình thành liên kết ngang.
1.4. Tính chất hóa học
Mỗi mắt xích phân tử của chitosan có 3 loại nhóm chức, các nhóm
chức này có khả năng phản ứng để tạo ra các dẫn xuất khác nhau của
chitosan. Phản ứng với axit glyconic của nhóm – NH2:

Chit-NH2 + HOOC-CH3  Chit-NH3+ + CH3COONhóm amino phản ứng dễ dàng các halogen axit như axit mono-cloroaxetic
tạo dẫn xuất N-cacrboxylmethyl chitosan theo phản ứng:

Chit-NH2 + Cl-CH2COOH  Chit-NH-CH2COOH + HCl
Phản ứng với anhydric axit tạo dẫn xuất N-acyl chitosan:

Chit-NH2 + R-CO-O-CO-R  Chit-NH-CO-R + RCOOH
Phản ứng thế với halogen hydrocacbon tạo muối amoni bậc 4:
-CH 2 OH
Chit -OH

-CH 2OR
+ 5RX 

Chit -OR

-NH 2

+ 4HX +

X-

-N(+) R3

Nhóm amono tự do còn có thể tham gia phản ứng tạo bazơ Schiff với nhóm
cacbonyl, chẳng hạn với axit glyconic.

Chit-NH 2 + OHC-COOH



Chit-N=CH-COOH + H 2O

Chit-N=CH-COOH+Na+



Chit-N=CH-COONa + H +

Chit-N=CH-COONa

NaBH 4 ,t 0


 Chit-NH-CH 3 (tan)

Sự hiện diện của nhóm amin tự do trong đơn vị D-glucosamine có
thể được proton hóa trong môi trường axit làm cho chitosan có thể hòa tan
10

được trong môi trường axit loãng, tạo thành dung dịch có pH khoảng 4,0 
6,4. Hằng số phân ly Kb của nhóm amin đạt được từ cân bằng.

NH2 +H 2 O

 NH +OH

NH +H 2 O

 NH 2 +H3O

+
3

+
3

-

+

[  NH3 ][OH  ]
Kb=
[  NH 2 ]
Ka =

[  NH 2 ][H3O  ]
[  NH3 ]

Tại pH = 3 sự proton hóa là hoàn toàn và mạch polyme tích điện

dương. Khi tồn tại những ion đa hóa trị trái dấu như ion sulphat hoặc
phosphat, sự tương tác giữa mạch polyme tích điện có thể xảy ra và làm
cho độ nhớt của dung dịch tăng lên. Tuy nhiên, nếu nồng độ của các ion
trái dấu cao sẽ làm kết tủa chitosan.
Dung dịch muối của chitosan với axit hữu cơ khi được làm khô và
xử lý nhiệt người ta thu được màng. Màng này không màu, không mùi,
không vị, hòa tan chậm trong nước và trong các dung môi hữu cơ. Hầu hết
các màng đều mềm mại, dai, trong suốt, và có độ bền kéo đứt cao. Quá
trình xử lý nhiệt để tạo màng có thể làm cho axit của muối bay hơi và làm
cho màng trương phồng trong nước, tuy nhiên trong môi trường axit nó sẽ
tạo thành dung dịch. Nhóm amin của muối có thể bị đề hydrat hóa do ảnh
hưởng của quá trình làm khô và xử lý nhiệt để hình thành nhóm amid
không tan trong nước và trong axit. Màng của chitosan có thể làm cho
không tan bằng cách xử lý với formaldehyde, acyl chloride, anhydride,
muối của kim loại kiềm hoặc ammonium của một vài arenesulfonate được
ankyl hóa.
1.5. Ứng dụng của chitosan
Chitosan và các dẫn xuất chitosan đã được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi ở nhiều lĩnh vực như công nghiệp dược phẩm, mỹ phẩm công nghệ
enzim, tế bào như màng phủ vết thương, vết bỏng, kem dưỡng da… [1, 4].
11


Đặc biệt là các nghiên cứu gần đây cho thấy chitosan tan trong nước
(CTTN) có độ deaxetyl hóa ĐĐA gần bằng 50%, theo Cho et al. [5] là một
dạng cấu trúc mới, đó không phải là những oligome mà chitosan có khối
lượng phân tử tương đối cao 1  5x105, ĐĐA ~ 45  55% được chế tạo
theo phương pháp axetyl hóa chitosan bằng anhydrit axetic và kết tủa bằng
etanol. Kết quả nghiên cứu sử dụng CTTN để chế tạo kem điều trị vết
thương cho thấy CTTN kích thích liền da nhanh và không để lại sẹo [5, 6].

CTTN cũng được đánh giá là rất có triển vọng để ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác, đặc biệt là làm chất ổn định, chất bắt gốc tự do để chế tạo
hạt nano kim loại (Au, Ag…)… Trong nông nghiệp, chitosan dùng làm
chất bảo quản nông phẩm, chất điều hòa sinh trưởng, chất phòng trị nấm
bệnh thực vật góp phần phát triển nền nông nghiệp sinh thái bền vững
[7,8].
1.6. Các phƣơng pháp cắt mạch chitosan
Các sản phẩm cắt mạch của chitosan như chitosan khối lượng phân tử
(KLPT) thấp hay oligochitosan có nhiều ứng dụng quan trọng vì vậy các
phương pháp cắt mạch chitosan cũng đã được tập trung nghiên cứu. Về bản
chất, quá trình cắt mạch chitosan là làm đứt liên kết  (1,4)-glycozit, bao
gồm các phương pháp chủ yếu sau:
- Cắt mạch bằng enzym như chitosanase, papain.
- Cắt mạch bằng tác nhân hóa học: H2O2, các peaxit, HCl, NaNO2/H+
- Cắt mạch bằng chiếu xạ gamma Co-60, dòng điện tử gia tốc
(electron beam - EB)
Giai đoạn đầu của quá trình ngắt mạch là chitosan trương nở và hòa tan
trong môi trường axit loãng (pH  6) tạo ra một dung dịch polyme không
màu, trong suốt và nhớt.
Chit-NH2 + CH3COOH

Chit-NH3+ + CH3COO12


Tiếp theo là quá trình cắt đứt liên kết 1,4-glycozit.

Do quá trình này mà dung dịch chitosan càng để lâu độ nhớt và khối lượng
phân tử của nó càng giảm dần. Dẫn đến các hoạt tính sinh học cũng khác đi
do dự thay đổi về KLPT. Tùy theo tác nhân cắt mạch mà cơ chế xảy ra
khác nhau. Đối với tác nhân H2O2 thì cơ chế cắt mạch đã được tác giả Qin

và cộng sự [9] đề nghị như sau:
H 2 O2
H 2 O2 +
RH

+

H+ +



HOO- 


OH •



OH •

+ O2 + H 2 O

 R •

R • 

HOO+

F1

+

O2 + H 2 O
F2

Sự kém bền của phân tử H2O2 do sự kém bền của HOO . Phản ứng của
anion này với H2O2 tạo gốc  OH hoạt hóa cao, gốc này phản ứng loại hydro
của cacbohydrat tạo gốc phân tử R và sau đó phân mảnh thành F  , F2 .
1

Đối với tác nhân cắt mạch là bức xạ gamma thì cơ chế quá trình là tạo ra
electron solvate eaq và gốc hydroxyl  OH được tác giả [10] đề xuất.
 ray
H2 O 
 H2 ,H2O2 ,H ,OH ,e aq ,H3O 
 ray
H2 O2 
 2OH

Hơn thế nữa, trong quá trình chiếu xạ electron solvate và H có thể phản
ứng với H2O2 như sau:
eaq



H 2 O2 



H



H 2 O2 



13

OH



OH-

OH

+

H2O


Nhìn chung, cơ chế của quá trình này là tạo ra gốc tự do hydroxyl  OH ,
một tác nhân oxy hóa mạnh, làm đứt liên kết C-H hình thành gốc
cacbohydrat dẫn đến liên kết glucozit bị cắt, tạo thành phân tử chitosan có
KLPT thấp hơn [11].
1.7. Thực trạng nghiên cứu và ứng dụng chitosan cắt mạch
Ở trong nước, một số vấn đề liên quan đến cắt mạch chitosan đã
được các tác giả nghiên cứu như: các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đề
axetyl và cắt mạch chitin để điều chế glucosamine (Trần Thái Hòa, Lê Thị

Hòa năm 2005), động học quá trình thủy phân chitosan trong môi trường
axit loãng (Trần Thái Hòa, Đinh Quang Khiếu, Nguyễn Thanh Định năm
2006). Một số ứng dụng công nghệ bức xạ trong việc chế tạo oligochitosan
và các phương pháp đặc trưng oligochitosan cũng đã được nghiên cứu và
công bố. Kết quả cho thấy chiếu xạ gamma Co-60 cắt mạch chitosan đã
tính được hiệu suất cắt mạch là Gd=1,03 (Nguyễn Quốc Hiến và cộng sự,
năm 1999). Khối lượng phân tử chitosan giảm dần khi tăng liều xạ và hàm
lượng oligochitosan trong nước ở pH=7 đạt khoảng 75% tại liều 48 kGy
khi thực hiện phương pháp chiếu xạ cắt mạch chitosan. (Bùi Phước Phú và
cộng sự, năm 2006). Sự kết hợp giữa H2O2 với bức xạ gamma Co-60 trong
việc giảm cấp chitosan là khá hiệu quả, hiệu suất cắt mạch tăng theo độ đề
axetyl của chitosan, quá trình oxi hóa bởi H2O2 làm gia tăng đáng kể hiệu
suất cắt mạch bức xạ đối với chitosan (Nguyễn Phước Phú, Hà Thúc Huy,
Nguyễn Ngọc Duy, Đặng Văn Phú, Nguyễn Quốc Hiến, năm 2006). Những
kết quả nghiên cứu cho thấy đã có sự ứng dụng công nghệ bức xạ trong
việc cắt mạch chitosan cùng với các tác nhân hóa học. Song những nghiên
cứu này chưa thật hệ thống, các tác nhân cắt mạch được sử dụng độc lập
mà chưa chú ý đến sự tác động đồng thời của chúng có thể đem lại những
kết quả thú vị hơn.

14


Trên thế giới, một số hoạt tính sinh học của các oligochitosan đã
được một số tác giả nghiên cứu như: hoạt tính kháng nấm (Hirano &
Nagao, 1989), hoạt tính kháng khuẩn (Jeon & Kim, 2000a; Jeon & Kim
năm 2001; Jeon, Park & Kim, 2001), chống khối u (Jeon & Kim, 2002;
Nam, Shon, Kim, Kim Nam, 1999), hiệu ứng tăng cường miễn dịch (
Suzuki, Mikami, Okawa, Tokoro, Suzuki & Suzuki, 1986), và các hiệu ứng
bảo vệ chống lại nhiễm trùng (Jeon et al, 2000). Các cơ chế kháng khuẩn

và kháng nấm cũng được một số nhà khoa học nghiên cứu và công bố. Kết
quả cho thấy số nhóm amino có vai trò quan trọng trong hoạt tính kháng
khuẩn và một số cơ chế đã được đề nghị để mô tả hoạt tính này (Chen,
Chung, Wang, Chen Li, 2002), oligochitosan có ĐĐA khoảng 85 - 95% đã
thể hiện được vai trò thực hiện các hoạt động kháng khuẩn cao nhất (Chung
et al., 2004). Nhìn chung các kết quả nghiên cứu hầu hết tập trung ở mặt
hoạt tính sinh học với những ứng dụng của oligochitosan, mặt chế tạo ít
được chú ý. Một số kết quả nghiên cứu chế tạo oligochitosan cũng chỉ dựa
vào các tác nhân cắt mạch độc lập. Sự kết hợp giữa các tác nhân trong quá
trình cắt mạch chitosan rất ít được chú ý và việc nghiên cứu vấn đề này
cũng chưa thành hệ thống [12].
1.8. Giới thiệu về công nghệ bức xạ
Hóa học bức xạ là lĩnh vực nghiên cứu sự tương tác của bức xạ ion
hóa như: , X… lên các hệ hóa học. Do có năng lượng bức xạ cao nên khi
đi qua môi trường vật chất, tia bức xạ làm cho nhiều hạt bị ion hóa và kích
thích phát sinh ra gốc tự do. Từ đó, các phản ứng hóa học xảy ra theo
những phương hướng khác nhau.
1.8.1.Một số khái niệm và định nghĩa:
- Bức xạ ion hóa: là bức xạ đi qua môi trường vật chất gây ra sự ion
hóa.
15


- Đơn vị năng lƣợng: electron volt (eV), là năng lượng của một
electron chuyển động dưới điện thế 1V.
- Sự truyền năng lƣợng tuyến tính (LET): LET= de/dx, hai đơn vị
0

0

thường dùng là eV/ A ;1 A =10-8 cm.
- Liều hấp thụ (D): D=E/m là năng lượng bức xạ hấp thụ bởi một đơn
vị vật chất, đơn vị là 1 rad = 100ergs/g chất bị chiếu xạ, đơn vị mới
là gray (Gy), 1Gy=100rad.
- Suất liều hấp thụ (P): P = D/t là năng lượng hấp thụ bức xạ bởi một
đơn vị vật chất trong một đơn vị thời gian. Đơn vị là rad/s, rad/h.
Gy/s, min, h.
- Cƣờng độ bức xạ: là năng lượng bức xạ truyền nhiệt qua đơn vị
diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian. Đơn vị erg/cm2, MeV/
(cm2/s).
- Hoạt độ phóng xạ: là số nguyên tử đồng vị phóng xạ phân rã trong
một đơn vị thời gian. Đơn vị là: Curie, 1Ci = 3,7x1010 eV về năng
lượng bức xạ.
- Hiệu suất xuất liều bức xạ (G): Giá trị G tính được nếu biết liều và
nồng độ. Đối với phản ứng hóa học bức xạ thông thường giá trị G
khoảng từ 1015, nhưng với phản ứng dây chuyền giá trị G có thể
lớn hơn.
1.8.2. Sự phát triển của Hóa học Bức xạ và Công nghệ bức xạ
Hóa học bức xạ là lĩnh vực khoa học nghiên cứu về những biến đổi
hóa học, hóa lý, gây ra bởi bức xạ tương tác lên vật chất. Về lịch sử phát
triển, có thể xem hóa học phóng xạ xuất hiện từ khi khám phá ra tia X,
(W.C. Rơn gen 1895) và chất phóng xạ (A.H. Becqurel 1896). Vào những
năm 1930, sự phát triển của máy phát tia X công suất cao ứng dụng cho
mục đích y tế và công nghiệp đã tạo ra một loạt nguồn bức xạ mới khá phù
hợp để tiến hành một loạt các thí nghiệm hóa học so với nguồn radium
16


trước đây. Sự tiện lợi của máy phát tia X công suất cao là không những có
cường độ cao, độ đâm xuyên lớn mà còn đồng đều hơn so với bức xạ hỗn

hợp từ muối radium và sản phẩm phân hạch của chúng.
Sau chiến tranh thế giới thứ II, các lò phản ứng hạt nhân đã sản xuất
một lượng đủ lớn các đồng vị Co-60, Cs-137 có thể ứng dụng trong chiếu
xạ công nghiệp.
Khoảng từ năm 1985, hàng loạt ứng dụng công nghiệp của quá trình
bức xạ bắt đầu phát triển như: khử trùng bức xạ, biến tính khâu mạch bức
xạ vật liệu polyme.
Công nghệ bức xạ (CNBX) là sử dụng bức xạ làm nguồn năng lượng
chính trong quá trình công nghiệp, CNBX hiện tại chủ yếu sử dụng nguồn
bức xạ Co60 và dòng điện tử gia tốc. Ở nước ta nguồn chiếu xạ Co60 ở Viện
Nghiên Cứu Hạt Nhân Đà Lạt đưa vào hoạt động từ năm 1980, đến nay đã
có thêm hai nguồn chiếu xạ Co60 trong công nghiệp là: Trung tâm chiếu xạ
Hà Nội và Trung tâm chiếu xạ TP. HCM.
1.8.3. Nguồn bức xạ
Nguồn bức xạ được dùng thông thường nhất là nguồn gamma phát ra từ
đồng vị phóng xạ Co60 (Co60 được điều chế trong các lò phản ứng hạt nhân)
và đồng vị phóng xạ Cs -137 (Cs -137 được tách từ nguồn nhiên liệu đã
cháy của lò phản ứng hạt nhân) và nguồn bức xạ không hạt nhân là dòng
điện tử gia tốc phát ra từ máy gia tốc điện tử.
Nguồn bức xạ gamma (Co60)
Thời gian bán hủy: 5,26 năm

17


Năng lượng bức xạ gamma: gồm hai tia bức xạ gamma có năng lượng
tương ứng là E1 = 1,173 MeV và E2 = 1,332 MeV và năng lượng tổng cộng
là E = E1 + E2 = 2,5 MeV.
Công suất bức xạ là P = 0,0148 W/Ci hay P = 67,567KCi/KW
1.9. Thuyết gốc tự do về phân ly bức xạ

Weiss (1944) đã đưa ra thuyết gốc về sự phân ly phóng xạ nước.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu xác định sản phẩm trung gian và sản phẩm
bền tạo thành trong quá trình phân ly phóng xạ của nước và nhiều công
trình nghiên cứu khác, Tabata (1991) đã mô tả tóm tắt quá trình phân ly
phóng xạ nước như sau:
- Kích hoạt và ion hóa (10-16 s)

H2 O  H2O*
H 2 O  H 2 O+ + e 
- Phản ứng ion phân tử (10-14 s)

H2O + H2O+  H3O+ 



OH

- Phân tử kích hoạt phân ly (10-13 s)

H2 O*  H  



H2 O*  H2 

O

OH

- Solvat hóa (10-11s)

H O

2
e 
 eaq

H O


2
H3O 
 H aq

- Các phản ứng tái kết hợp (10-11 – 10-5 s)

H


+

OH 

H



H


 H2

OH  H 2 O2



OH  H 2 O
18


- Phản ứng giữa các sản phẩm phân ly phóng xạ nước với chất tan (1010

s)
 ray
H2O 
 H2 , H2O2 , H , OH, eaq , H3O

Hiệu suất phân hủy bức xạ cực đại của nước ký hiệu G(-H2O)max và
có giá trị:
G(-H2O)max  12 phân tử/ 100eV
Hiệu suất sơ cấp của các sản phẩm phân ly phóng xạ nước được ký hiệu
GH, GOH, GH , GH O là số nguyên tử hydro, gốc  OH , phân tử hidro và phân
2

2 2

tử hydropeoxit tương ứng được tạo thành khi nước hấp thụ 100eV năng
lượng

bức

xạ

ion

hóa.

GOH   0,29 mol/J ,

Ge  0,28  mol/J ,
aq

GH   0,06 mol/J . Cần chú ý rằng G(H2), G( H2O2) đo được hiếm khi bằng

GH , GH O do H2 và H2O2 được tạo ra không chỉ do quá trình tái kết hợp của
2
2 2

các gốc tự do H , OH mà còn do phản ứng giữa các chất tan với sản

phẩm phân ly phóng xạ.

19


Chƣơng 2. NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất.
-

α- chitosan có ĐĐA ~ 80%, Mw0~ 166.2 kDa được chế tạo từ vỏ

tôm tại Phòng thí nghiệm Hóa học, Trường Đại học Sài Gòn.

- H2O2 là sản phẩm tinh khiết của Merck, Đức.
- Etanol (CH3CH2OH) tuyệt đối của công ty Trường Thịnh, Việt Nam.
- Các hóa chất CH3COONa, CH3COOH,… được dùng dưới dạng tinh
khiết phân tích.
- Nước cất được sử dụng cho toàn bộ thí nghiệm.
2.2. Thiết bị, dụng cụ.
- Nguồn chiếu xạ gamma Co-60, SVST Co-60, Hungary, suất liều
~1,2 kGy/h tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ
Bức xạ, Tp. HCM.
- Máy đo quang phổ hồng ngoại FT- IR 8400s, Shimadzu, Nhật, tại
Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, Tp.
HCM.
- Máy sắc ký gel thấm qua (GPC) LC-20 Shimadzu, Nhật, sử dụng
detector RID - 10A và cột Utrahydrogel 250 của hãng Waters,
Mỹ, tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ,
Tp. HCM.
- Máy nghiền bi Fritsch, Đức, tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển
khai Công nghệ Bức xạ, Tp. HCM.

20


- Một số trang thiết bị khác dùng cho thí nghiệm như: máy li tâm,
cân phân tích, tủ sấy.., tại Phòng thí nghiệm Hóa học, Trường
Đại Học Sài Gòn.
2.3. Phƣơng pháp.
2.3.1. Xác định độ ẩm và độ trương trong nước bão hòa
Độ ẩm được xác định bằng phương pháp phân tích khối lượng [13]

như sau: Đĩa thủy tinh sấy khô ở nhiệt độ 1050C đến khối lượng không đổi,
sau đó đặt trong bình hút ẩm để làm nguội. Cân đĩa thủy tinh xác định khối
lượng W1 cho mẫu chitosan vào đĩa và cân được khối lượng W2. Sấy đĩa
thủy tinh chứa mẫu ở 1050C trong 24 giờ, cân được khối lượng W3. Độ ẩm
được tính theo công thức:

§é Èm (%) =

W2  W3
.100
W2  W1

Thí nghiệm được lặp lại 5 lần và đánh giá kết quả ở mức thống kê
α = 0,95.
Độ trương nước bão hòa (ĐTNBH) của chitosan được xác định dựa
vào tài liệu [14, 15]. Cân ống ly tâm có chứa một lượng xác định chitosan
(0,5g) thu được khối lượng m01. Thêm 10g nước cất, lắc đều hỗn hợp, để
trương 2 giờ ở nhiệt độ phòng, sau đó ly tâm với tốc độ 3200 vòng/phút,
trong 25 phút , gạn bỏ nước, cân ống ly tâm thu được khối lượng m1.
ĐTNBH của chitosan được tính theo công thức sau:

§TNBH(%) 

m1  m01  mmois
.100
ms  mmois

Trong đó ms là khối lượng của mẫu chitosan, mmois là khối lượng nước gây
ẩm được tính từ khối lượng mẫu và phần trăm độ ẩm của mẫu.
21

Thí nghiệm được lặp lại 4 lần và đánh giá kết quả ở mức thống kê
α = 0,95.
2.3.2. Xác lập điều kiện cắt mạnh bằng bức xạ gamma Co - 60 chitosan
trương trong H2O2
2.3.2.1. Khảo sát khả năng cắt mạch bức xạ chitosan theo độ trương
Dùng 1g mẫu chitosan thêm dung dịch H2O2 5% với thể tích lần lượt
là 0, 2, 4, 6 và 8 ml, để trương trong 1 giờ sau đó chiếu xạ ở liều xạ 10,5
kGy. Các mẫu chitosan thu được sau chiếu xạ được rửa sạch nhiều lần bằng
nước cất, để khô tự nhiên sau đó sấy ở nhiệt độ 700C trong 2 giờ. Tiến hành
xác định KLPT, ĐĐA và độ đa phân tán (PI) để đánh giá hiệu quả cắt
mạch.
2.3.2.2. Khảo sát khả năng cắt mạch bức xạ chitosan theo nồng độ H2O2
Dùng 1g mẫu chitosan thêm vào 5ml dung dịch H2O2 ở các nồng độ
0 (H2O); 2,5; 5,0; 7,5 và 10%, để trương trong 1 giờ sau đó chiếu xạ ở liều
xạ 10,5 kGy. Mẫu thu được sau chiếu xạ được xử lý và xác định KLPT, PI,
ĐĐA như đã mô tả ở trên.
2.3.2.3. Khảo sát khả năng cắt mạch bức xạ chitosan theo liều xạ
Dùng 1g chitosan trương 1 giờ trong 5ml dung dịch H2O2 5%, tiến
hành chiếu xạ mẫu chitosan ở các liều xạ 3,5; 7,0; 10,5 và 14,0 kGy. Mẫu
thu được sau chiếu xạ được xử lý và xác định KLPT, PI, ĐĐA để đánh giá
hiệu quả của quá trình cắt mạch.
2.3.3. Xác định ĐĐA và cấu trúc chitosan
ĐĐA và cấu trúc của chitosan cắt mạch được xác định bằng phương
pháp phổ hồng ngoại. Mẫu chitosan được nghiền nhỏ bằng cối nghiền bi
Fritsch, Đức, rây qua rây 200 mesh. Cân khoảng 3-5 mg mẫu bột chitosan
22

trộn cùng với 100 mg KBr trong cối mã não, ép viên trên máy ép chuyên
dụng trong thời gian khoảng 10 phút, tiến hành đo phổ IR trên máy FT-IR
8400S, Shimadzu, Nhật, ĐĐA của chitosan được tính theo phương trình
[16].

§§ A(%) = 100  (31,92 

A1320
 12,20)
A1420

Với A1320, A1420 là mật độ quang tương ứng tại các số sóng 1320, 1420
cm-1.
2.3.4. Xác định KLPT và PI của chitosan
Khối lượng phân tử và độ phân tán của chitosan được xác định bằng
sắc kí gel thấm qua (GPC) trên máy LC-20AB Shimadzu, Nhật, sử dụng
detector RID-10A và cột Utrahydrogel 259 của hãng Waters, kích thước
7,8300mm, nhiệt độ cột là 400C, pha động là dung môi CH3COOH
0,25M/CH3COONa 0,25M với tốc độ chảy là 1ml/phút [17]. Chất chuẩn là
Pullulan có MW khác nhau từ 738 đến 380.000 Da. Mẫu chitosan được
chuẩn bị bằng cách hòa tan chitosan trong axit CH3COOH 0,25M với nồng
độ 0,3% cho đến khi hòa tan hoàn toàn, thêm muối CH3COONa 0,25M, lọc
dung dịch qua màng 0,45m (millipore filters). Tiến hành tiêm mẫu dung
dịch chitosan với thể tích 50l vào cột sắc ký. Từ kết quả thời gian lưu và
so sánh với đường chuẩn xác định KLPT của chitosan.
Quan hệ giữa thời gian lưu và KLPT của pullulan trình bày ở bảng
2.1. Thiết lập đường chuẩn trên máy mối tương quan KLPT và thời gian
lưu (hình 2.1) ta được kết quả:
Chuẩn pullulan, Sigma USA ULTRAHYDROGEL VINAGAMMA
Linear: ax+b

23


a = -066024559, b= 9,236203
R^2=0.9975414 R = 0.9987699 Dispersion=0.0363634

Bảng 2.1: KLPT và thời gian lưu của các mẫu chuẩn Pullulan
Lần đo

1

2

3

4

5

KLPT(kDa)

100

48

23,7

12,2

0,738

Thời gian lưu(phút)

7,00

7,5

8,12

8,64

10,52

Hình 2.1: Đường chuẩn tương quan giữa KLPT và thời gian lưu của
Pulullan
Kết quả cho thấy rằng giữa 2 đại lượng KLPT và thời gian lưu có mối quan
hệ tuyến tính cao (R=0.998). Các hệ số của phương trình này có ý nghĩa
24


thống kê với mức kiểm định α = 0,001 (p=0,000). Như vậy đường chuẩn
này áp dụng thích hợp cho khoảng đo KLPT từ 0,738  100 kDa.

25