Luận văn thạc sĩ khoa học: Nghiên cứu quá trình quang hóa phân hủy kháng sinh Tetracyline sử dụng xúc tác Nano Titan Oxit bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN VĂN TỊNH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUANG HÓA PHÂN HỦY KHÁNG SINH
TETRACYCLINE SỬ DỤNG XÚC TÁC NANO TITAN OXIT BẰNG
PHƢƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC

Hà Nội - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN VĂN TỊNH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUANG HÓA PHÂN HỦY KHÁNG SINH
TETRACYCLINE SỬ DỤNG XÚC TÁC NANO TITAN OXIT BẰNG
PHƢƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG HIỆU NĂNG CAO

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số:60440188

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Văn Ri

Hà Nội - 2016


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 8
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN .......................................................................................... 10
1.1.

Tổng quan về kháng sinh tetracycline ..................................................... 10

1.2.

Tính chất dƣợc động học và cơ chế tác dụng .......................................... 10

1.3.

Tính chất hóa học ..................................................................................... 11

1.4.

Các phƣơng pháp phân tích kháng sinh tetracycline .............................. 12
Phƣơng pháp ELISA (Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay) ..................... 12
1.4.2. Phƣơng pháp sắc ký lớp mỏng (Thin Layer Chromatography –

TLC 13
1.4.3. Phƣơng pháp điện di mao quản (Capillary Electrophoresis - CE) .......... 13
1.4.4. Phƣơng pháp sắc ký lỏng hai lần khối phổ (LC/MS) ............................ 14
Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid
Chromatography - HPLC) ....................................................................................... 16
1.5.

Các phƣơng pháp loại bỏ kháng sinh trong nƣớc và nƣớc thải .............. 18
1.5.1. Phƣơng pháp hấp phụ ............................................................................... 18
Phƣơng pháp sinh học ......................................................................................... 18
Phƣơng pháp màng lọc........................................................................................ 19
Phƣơng pháp phân hủy hóa học dựa vào các quá trình oxi hóa nâng cao

(AOPs)

20

1.5.4.1. Quá trình oxy hóa bằng Ozon ................................................21
1.5.4.2. Quy trình oxy hóa Fenton .....................................................22
1.5.4.3. Quá trình quang hóa xúc tác nano TiO2 ................................23
Chƣơng 2 - PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......... Error! Bookmark not defined.
2.1.

Các phƣơng pháp tổng hợp hạt nano TiO2 ............................................. 24
24

2


Phƣơng pháp điện hóa ......................................................................................... 24
Phƣơng pháp thủy nhiệt ...................................................................................... 24
Phƣơng pháp nhiệt dung môi .............................................................................. 25
Phƣơng pháp bay hơi lắng đọng hơi hóa học (CVD) ........................................ 25
Phƣơng pháp vi sóng ........................................................................................... 25
Phƣơng pháp sol-gel............................................................................................ 26
2.2.

Thực nghiệm ............................................................................................ 36
Mục tiêu của nghiên cứu ..................................................................................... 36
2Hóa chất, thiết bị và dụng cụ ............................................................................ 36

2.3.

Quy trình tổng hợp hạt nano TiO2 bằng phƣơng pháp sol-gel................ 37

2.4.

Quy trình quang hóa................................................................................. 39

Chƣơng 3 - Kết quả và thảo luận ............................................................................... 39
3.1.

Xác định tetracycline bằng phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng caoError! Boo
3.1.1.

Độ tuyến tính của đƣờng chuẩn ....... Error! Bookmark not defined.

3.1.2.

Độ chính xác của phƣơng pháp........ Error! Bookmark not defined.

3.1.3.

Giới hạn phát hiện, giới hạn định lƣợng của phƣơng phápError! Bookmar

3.2.

Các đặc tính của hạt nano TiO2 .............. Error! Bookmark not defined.
3.2.1.

Nghiên cứu cấu trúc hạt nano TiO 2 sử dụng phƣơng pháp

nhiễu xạ tia X ........................................................................................................... 39
3.2.2.

Kết quả đo SEM ................................................................................ 40

3.2.3.

Kết quả đo kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .......................... 41

3.3.

Nghiên cứu phân hủy mẫu kháng sinh .................................................... 42
3.3.1.

mét
3.3.2.

Cơ chế của phản ứng quang xúc tác với TiO2 kích thƣớc nano
Error! Bookmark not defined.
Ảnh hƣởng của các điều kiện quang hóa đến sự phân hủy của

3

kháng sinh Tetracycline ........................................................................................... 43
3.3.3.

Ảnh hƣởng của thời gian ................................................................... 45

3.3.4.

Ảnh hƣởng của pH đến quá trình quang hóa của TC ....................... 46

3.3.5.

Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu tetracycline đến quá trình

quang hóa
3.3.6.
hủy TC
3.3.7.

48
Ảnh hƣởng của nồng độ TiO2 đến quá trình quang hóa phân
49
Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 tới quá trình quang hóa

tetracycline 51
3.3.8.
3.4.

Phƣơng trình động học của các quá trình ........................................ 52
Nghiên cứu phân hủy đồng thời ba kháng sinh nhóm tetracycline

gồm oxytetracycline, tetracycline, chlotetracycline. .................................................. 54
KẾT LUẬN.................................................................................................................. 57
KIẾN NGHỊ ................................................................ Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 58

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TC: Tetracycline
OTC: Oxytetracycline
CTC: Chlortetracycline
ACN: Acetonitrile
AOAC: Hiệp hội của các nhà hóa học phân tích chính thức
EU: Liên minh châu Âu
HPLC: Sắc kí lỏng hiệu năng cao
ISO: Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
LC – MS: Sắc kí lỏng khối phổ
LOD: Giới hạn phát hiện
LOQ: Giới hạn định lƣợng
MeOH: Methanol
MRL: Mức dƣ lƣợng tối đa cho phép
R%: Hiệu suất thu hồi
RSD%: Độ lệch chuẩn tƣơng đối
SPE: Chiết pha rắn
Spic: Diện tích pic
TLC: Sắc kí bản mỏng
CE: Điện di mao quản

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Độ chính xác của đƣờng chuẩn xác định tetracycline
Bảng 2. Độ lặp lại và độ thu hồi của phƣơng pháp trên nền mẫu nƣớc.
Bảng 3 . Xác định các giá trị giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng
của phƣơng phápphân tích tetracycline
Bảng 4. Phần trăm Tetracycline còn lại trong các điều kiện quang hóa
khác nhau,
Bảng 5. Sự biến đổi nồng độ theo thời gian tại pH=9
Bảng 6. Phần trăm của tetracyclien còn lại ở các giá trị pH khác nhau,
Bảng 7. Hiệu suất phân hủy kháng sinh khi thay đổi nồng độ
Bảng 8. Ảnh hƣởng của nồng độ TiO2 đến quá trình quang hóa
Bảng 9. Hiệu suất phân hủy tetracycline khi thêm H2O2 ở nồng độ khác
nhau
Bảng 10: Ảnh hƣởng của các thông số khác nhau đến hằng số tốc độ phản
ứng

6


DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Công thức hóa học của Tetracycline
Hình 2 . Quy trình tổng hợp nao TiO2 bằng phƣơng pháp sol-gel.
Hình 3. Sơ đồ và cấu tạo của bình phản ứng quang hóa
Hình 4. Sắc ký đồ của Tetracycline tại bƣớc song 360nm
Hình 5 . Đƣờng chuẩn Tetracycline
Hình 6. Đƣờng chuẩn tetracycline trên nền mẫu trắng
Hình 7: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2
Hình 8. Kết quả đo phổ XRD của hạt nano TiO2

Hình 9. Ảnh SEM của mẫu TiO2 ở độ phân giải 300nm (trái) và 500nm
(phải)
Hình 10. Ảnh TEM của mẫu TiO2
Hình 11: Cơ chế của phản ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 khi đƣợc
chiếu sáng
Hình 12. Ảnh hƣởng của các điều kiện quang hóa đến sự phân hủy của
kháng sinh Tetracycline
Hình

13.

Sự

hình

thành

4a,

12a-anhydro-4-oxo-4-

dedimethylaminotetracycline của Tetracycline trong quá trình quang hóa.
Hình 14. (a)Sự giảm độ hấp thụ theo thời gian của Tetracycline, (b)Hiệu
quả phân hủy trong khoảng thời gian 90 phút.
Hình 15. Sắc ký đồ của Tetracycline trƣớc khi chiếu xạ và sau khi chiếu
xạ
Hình 16. Ảnh hƣởng của pH đến TC
Hình 17. Hiệu suất phân hủy kháng sinh
Hình 18 . Hiệu quả phân hủy tetracycline
Hình 19 . Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 đến khả năng phân hủy

Tetracycline

7


MỞ ĐẦU
Việc phát minh ra kháng sinh và các đặc tính của chúng đã tạo ra một
cuộc cách mạng trong y học và cứu loài ngƣời thoát khỏi nhiều thảm dịch do vi
trùng gây ra. Tuy nhiên hiện nay việc lạm dụng sử dụng kháng sinh trong đời
sống cũng nhƣ trong chăn nuôi đang trở nên mức báo động đỏ. Kháng sinh
không chỉ gây ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe con ngƣời mà còn ảnh hƣởng
đến môi trƣờng xung quanh.
Tetracycline là kháng sinh có phổ kháng khuẩn rộng đƣợc sử dụng phổ
biến cho cả con ngƣời và thú y. Sau khi uống thuốc, hơn 70% kháng sinh
Tetracyline đƣợc thải ra môi trƣờng.
Nƣớc thải từ các bệnh viện, khu công nghiệp cũng nhƣ từ các bãi chôn lấp
chất thải đã đƣợc phát hiện chứa lƣợng kháng sinh với nồng độ cao. Nếu các
hoạt động này không đƣợc xử lý triệt để khi thải ra môi trƣờng sẽ làm mất cân
bằng hệ sinh thái trong nguồn nƣớc, không những ảnh hƣởng trực tiếp đến
nƣớc ao, hồ, sông mà ngấm xuống đất, tích lũy tôn đọng trong nguồn nƣớc
ngầm và gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời, tạo nên nguy
cơ ô nhiễm, lây lan dịch bệnh cho cộng đồng.
Gần đây, bột TiO2 tinh thể kích thƣớc nm ở các dạng thù hình rutile,
anatase, hoặc hỗn hợp rutile và anatase, và brookite đã đƣợc nghiên cứu ứng
dụng vào các lĩnh vực pin mặt trời, quang phân hủy nƣớc và làm vật liệu quang
xúc tác tổng hợp các hợp chất hữu cơ, xử lý môi trƣờng, chế sơn tự làm sạch,
chế tạo thiết bị điện tử, đầu cảm biến và trong lĩnh vực diệt khuẩn [48,49]. Với
hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền và không độc, vật liệu TiO2 đƣợc cho
là vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn đề môi trƣờng nghiêm
trọng và thách thức từ sự ô nhiễm.

Nghiên cứu phân hủy kháng sinh sử dụng xúc tác nano TiO2 để phân hủy
kháng sinh tetracycline để bảo vệ môi trƣờng cũng nhƣ bảo vệ sức khỏe con

8


ngƣời là điều vô cùng cần thiết. Vì vậy đề tài này: “Nghiên cứu quá trình
quang hóa phân hủy kháng sinh tetracycline sử dụng xúc tác nano Titan
oxit bằng phƣơng pháp sắc kỹ lỏng hiệu năng cao” đƣợc lựa chọn là hƣớng
nghiên cứu của học viên:
Trong khuôn khổ của đề tài luận văn này chúng tôi tiến hành nghiên cứu
một số nội dung sau:
- Điều chế vật liệu nano TiO2 bằng phƣơng pháp sol-gel. Các đặc tính của
hạt nano TiO2 đƣợc phân tích dựa trên: sự nhiễu xạ tia X, kính hiển vi
quét điện tử (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
- Nghiên cứu phân hủy kháng sinh tetracycline qua khảo sát các yếu tố
ảnh hƣởng:
 Ảnh hƣởng của các điều kiện quang hóa đến sự phân hủy của kháng
sinh Tetracycline
 Ảnh hƣởng của pH đến quá trình quang hóa của tetracycline
 Ảnh hƣởng của thời gian phân hủy
 Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu tetracycline đến quá trình quang hóa
 Ảnh hƣởng của nồng độ TiO2 đến quá trình quang hóa phân hủy
tetracycline
 Ảnh hƣởng của nồng độ H2O2 tới quá trình quang hóa tetracycline
- Nghiên cứu phân hủy 3 kháng sinh nhóm tetrayclien là tetracycline,
oxytetracycline, chlortetracycline trong cùng một điều kiện.

9

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về kháng sinh tetracycline

Thời kỳ vàng son của kháng sinh bắt đầu từ khi sản xuất ra penicilin dùng
trong lâm sàng, Khi đó kháng sinh đƣợc coi là những chất do vi sinh vật tiết ra
(vi khuẩn, vi nấm), có khả năng kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật khác, Về
sau với sự phát triển của khoa học, ngƣời ta đã có thể tổng hợp, bán tổng hợp
các kháng sinh tự nhiên (chloramphenicol); tổng hợp nhân tạo các chất có tính
kháng sinh: sulfamid, quinolon hay chiết xuất từ vi sinh vật những chất diệt
đƣợc tế bào ung thƣ (actinomycin). Vì thế định nghĩa kháng sinh đã đƣợc thay
đổi.
Kháng sinh hay còn gọi là trụ sinh là những chất có khả năng tiêu diệt vi
khuẩn hay kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn một cách đặc hiệu, Nó có tác
dụng lên vi khuẩn ở cáp độ phân tử, thƣờng ở một vị trí quan trọng của vi
khuẩn hay một phản ứng trong quá trình phát triển của vi khuẩn.
Kháng sinh tetracycline là kháng sinh có phổ tác dụng rộng, chúng có tác
dụng với cả vi khuẩn Gr+ và Gr- , ricketsia và một vài virut lớn, Do có phổ
kháng khuẩn rộng, nếu tetracycline đƣợc dùng bừa bãi, dễ gây kháng thuốc.Vì
vậy chỉ nên dùng tetraycline cho các bệnh gây ra do vi khuẩn gây ra trong tế
bào vì tetracyline rất dễ thấm vào đại thực bào.
1.2.

Tính chất dƣợc động học và cơ chế tác dụng

Tetracycline hấp thu qua tiêu hóa từ 60-70%. Dễ tạo phức với sắt, calci,
magie, casein trong thức ăn và giảm hấp thu. Nồng độ tối đa trong máu đạt
đƣợc từ 2-4 giờ

Phân phối: Gắn vào protein huyết tƣơng 50%, Thấm đƣợc vào dịch não
tủy, nhau thai, sữa, Đặc biệt là thấm vào đƣợc trong tế bào nên có tác dụng tốt
trong điều trị các bệnh do brucella. Gắn mạnh vào hệ dƣới nội mô của gan,

10


lách, xƣơng, rang. Nồng độ ở ruột cao gấp từ 5-10 lần nồng độ trong máu.
Thải trừ qua gan, thận phần lớn dƣới dạng còn hoạt tính.
Các Tetracycline đƣợc vận chuyển theo phƣơng thức tích cực qua màng
bào tƣơng của các vi khuẩn mẫn cảm với thuốc. Các yếu tố vận chuyển tích
cực này chỉ có ở vi khuẩn mà không có ở tế bào cơ thể vật chủ. Sau khi thuốc
vƣợt qua màng bào tƣơng, sẽ gắn vào tiểu phần 30s của Ribosom và đồng thời
cũng gắn cả vào ARN thông tin, từ đó ngăn cản sự gắn kết các axít amin vào
chuỗi Peptid qua đó ức chế quá trình tổng hợp Protein của vi khuẩn. Kháng
sinh nhóm Tetraccline đều có tác dụng kìm khuẩn. Cả ở khu vực nội dịch và
ngoại dịch tế bào, đều có tác dụng nhƣ nhau.
1.3.

Tính chất hóa học

Tetracycline có tên hóa học là (4S,4aS,5aS,6S,12aR)-4-(dimethylamino)1,6,10,11,12a-pentahydroxy-6-methyl-3,12-dioxo-4,4a,5,5atetrahydrotetracene-2-carboxamide với công thức phân tử là C22H24N2O8, Có

công thức hóa học:
Hình 1: Công thức hóa học của Tetracycline

Tetracycline là bột màu vàng, ít tan trong nƣớc, tan trong base hoặc acid,

11

ít tan trong ethanol và hầu nhƣ không tan trong chloroform và ether. Trong
điều kiện có tính acid loãng tetracycline dễ mất nƣớc để tạo thành
anhydrotetracycline. Tetracycline cũng dễ dàng tạo phức với các ion kim loại
nhƣ Fe3+, Fe2+, Cu2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, Be2+, Al3+,
hay phosphate, citrate, salicylate, p-hydroxybenzoates, anion saccharin,
caffeine, ure, thiourea, polivinylpyrrolidone, albumin huyết thanh, lipoprotein,
globulin và RNA [20].
1.4.
1.4.1.

Các phƣơng pháp phân tích kháng sinh tetracycline
Phƣơng pháp ELISA (Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay)

ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) còn gọi là phƣơng pháp
ELISA là một kỹ thuật sinh hóa để phát hiện kháng thể hay kháng
nguyên trong mẫu xét nghiệm. Hiện nay ELISA đƣợc sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực nghiên cứu nhƣ y học, nông nghiệp và đặc biệt là trong các quy
trình kiểm tra an toàn chất lƣợng các sản phẩm sinh học,
Nguyên lý của ELISA chính là dựa vào tính đặc hiệu kháng nguyên kháng thể và gồm các bƣớc cơ bản nhƣ sau:
(1) Kháng nguyên - antigen (KN) chƣa biết đƣợc gắn trên một bề mặt;
(2) Kháng thể - antibody (KT) biết trƣớc đƣợc "rửa" qua bề mặt đó,
Kháng thể này đƣợc gắn kết với enzyme;
(3) Thêm vào một cơ chất (substance); enzyme sẽ biến đổi cơ chất này và
tạo tín hiệu có thể xác định đƣợc,
Đối với các ELISA phát quang, ánh sáng sẽ đƣợc phát ra từ mẫu chứa
KN-KT, Sự hiện diện của phức hợp KN-KT sẽ quyết định cƣờng độ sáng phát
ra,
Với nguyên lý trên, ELISA giúp xác định sự có mặt hay không có mặt
cũng nhƣ lƣợng KN trong mẫu nghiên cứu.

12


Để tiến hành ELISA cần phải có ít nhất một KT đặc hiệu cho KN chƣa
biết, Thông thƣờng KN đƣợc cố định tại các giếng của vi phiếm (polystyrene
microtiter plate),
Theo [21] sử dụng một kit xét nghiệm (Biopharm AG, Darmstadt,
Germany), tiến hành lấy 50µl dung dịch chuẩn hoặc dung dịch mẫu vào các
giếng, thêm tiếp 50µl kháng thể kháng tetracycline, Sau đó mỗi giếng sẽ đƣợc
rửa qua 3 lần bằng dung dịch đệm, thêm 100 µl enzyme liên hợp, 50 µl cơ chất
vào từng giếng, Độ hấp thụ sẽ đƣợc ghi đo ở 450nm trong khoảng thời gian 30
phút, Phƣơng pháp có giới hạn phát hiện (LOD) = 15ppb (µl/L).
1.4.2. Phƣơng pháp sắc ký lớp mỏng (Thin Layer Chromatography TLC)

Sắc ký lớp mỏng là một kĩ thuật sắc kí đƣợc dùng để tách các chất trong
hỗn hợp. Phƣơng pháp sắc kí lớp mỏng bao gồm pha tĩnh là một lớp mỏng các
chất hấp phụ, thƣờng là silica gel, aluminium oxide, hoặc cellulose đƣợc phủ
trên một mặt phẳng chất trơ. Pha động bao gồm dung dịch cần phân tích đƣợc
hòa tan trong một dung môi thích hợp và đƣợc hút lên bản sắc kí bởi mao dẫn,
tách dung dịch thí nghiệm dựa trên tính phân cực của các thành phần trong
dung dịch. Các mẫu đƣợc áp dụng chủ yếu là dƣợc phẩm và một số loại thực
phẩm nhƣ sữa, mật ong, thịt, cá…
Theo[50] đã sử dụng tấm silica cùng với pha động là dung dịch 1-butanol
và dung dịch EDTA 5% ở pH = 9, phƣơng pháp có khả năng tách tốt, độ chính
xác cao. Có thể tách và xác định hàm lƣợng kháng sinh tetracyclien trong sữa.
Còn theo [51] sử dụng phƣơng pháp TLC để tách và xác định tetracycline trong
một hỗn hợp. Sử dụng EDTA 0,1M, glycerin, và polyethylene glycol 400, dung
môi khai triển là ethy acetat bão hòa với 0,1M EDTA ở pH=7. Quy trình này
cũng thành công trong việc tách các kháng sinh thuộc nhóm tetacycline khác.

1.4.3. Phƣơng pháp điện di mao quản (Capillary Electrophoresis - CE)

13


Đây là phƣơng pháp tách các chất phân tích là các ion hoặc các chất
không ion nhƣng có mối quan hệ chặt chẽ với các ion trong một ống mao quản
hẹp dài từ vài centimet (5cm) đến vài chục centimet (15-30 cm), chứa đầy
dung dịch đệm, đặt trong điện trƣờng cao cỡ vài kilovon (Kv). Do độ linh độ
điện di của các ion khác nhau, chúng di chuyển với tốc độ khác nhau và tách ra
khỏi nhau.
Một phƣơng pháp rất đơn giản đƣợc ứng dụng để phát hiện đồng thời ba
kháng sinh nhóm tetraycline là tetraycline (TC), oxytetraycline (OTC),
doxycycline (DC) trong mẫu cá bằng phƣơng pháp điện di mao quản với
detector UV đã đƣợc công bố bởi tác giả Kowalski năm 2008. Trong đó ba
kháng sinh TC, OTC, DC lần lƣợt có giới hạn phát hiện LOD = 1,3-1,8 ng/g và
giới hạn định lƣợng LOQ = 4,3-5,9 ng/g. Độ thu hồi lần lƣợt của TC, OTC, DC
là 84,0; 80,6; 89,2%[52].
Ba kháng sinh TC, OTC, DC cũng đã đƣợc phát hiện trong sữa khi sử
dụng phƣơng pháp điện di mao quản với việc sử dụng dung dịch đệm là 30
mM Na2HPO4 và 1 mM EDTA tại pH 11.5; điện áp 25kV, bƣớc sóng UV ở
268nm. Ba kháng sinh có giới hạn phát hiện lần lƣợt từ LOD = 0,0745 –
0,0808 μg/mL; và độ thu hồi 93,4% - 102% tƣơng ứng với ba kháng sinh là
TC, OTC, DC[53].
Phƣơng pháp này với ƣu điểm tiết kiệm, lƣợng hóa chất sử dụng rất ít, có
thể phân tích đƣợc nhiều nhóm chất khác nhau. Tuy nhiên, độ nhạy kém đồng
thời tính ổn định không cao, thiết bị không phổ biến cho các phòng thí nghiệm.
Do đó, việc tiến hành thực nghiệm yêu cầu kỹ thuật phân tích chuẩn xác trong
các điều kiện khắt khe.
1.4.4. Phƣơng pháp sắc ký lỏng hai lần khối phổ (LC/MS)

Đây là một phƣơng pháp nhanh, nhạy và đƣợc phát triển nhiều hiện nay.
Sau khi qua cột tách, chất phân tích đƣợc hóa hơi, các hợp chất hữu cơ trung

14


hòa bị ion hóa thành các ion phân tử hay ion mảnh của phân tử mang điện tích
dƣơng hoặc âm, các gốc tự do. Sau đó, các ion đƣợc đƣa sang bộ phận tách
theo khối lƣợng. Từ các tín hiệu thu đƣợc, dựa vào khối lƣợng ion phân tử, dựa
vào đồng vị, dựa vào các mảnh ion phân tử, dựa vào cơ chế tách và dựa vào
ngân hàng dữ liệu các ion mảnh và mảnh ion, ngƣời ta định tính và định lƣợng
đƣợc chất phân tích một cách chính xác.
Năm 2012 tác giả Mei Bie và các cộng sự [18] tiến hành phân tích đồng
thời Tetracycline, oxytetracycline, Chlortetracycline, Dexycycline trong mật
ong bằng phƣơng pháp LC/MS. Mẫu đƣợc chiết bằng dung dịch đệm EDTAMcIlvaine, sau đó đƣợc đem đi lắc và siêu âm. Phƣơng pháp có khoảng tuyến
tính từ 1 – 500 µg/L. Độ thu hồi của các kháng sinh trong khoảng từ 73.8 106.7% với RSD từ 1.19 - 9.8%. Giới hạn định lƣợng là 1µg/kg đối với CTC
và DC; 0,2 µg/kg đối với TC và OTC. Giới hạn quyết định CCα từ 0.041 0.31µg/kg và năng lực phát hiện CCβ từ 0.064 - 0.43 µg/kg. Từ kết quả trên
chứng tỏ phƣơng pháp có độ nhạy và độ chính xác cao.
Cũng theo tác giả J Zhu và các cộng sự [55] tiến hành phân tích đồng thời
ba kháng sinh nhóm tetracycline là tetracycline (TC), oxytetracycline (OTC),
chlortetracycline (CTC) trong nƣớc ngầm bằng phƣơng pháp sắc ký lỏng khối
phổ kết hợp sử dụng cột chiết pha rắn C18. Nhóm tác giả cũng thêm dung dịch
đệm chứa đệm chứa kali photphat và axit citric để tăng độ thu hồi của
tetracycline trong nƣớc. Giới hạn phát hiện của ba kháng sinh lần lƣợt từ 0.21,
0.20, và 0.281µg/l; độ thu hồi của ba kháng sinh trong khoảng từ 86%- 110%.
Một phƣơng pháp xác định đồng thời ba nhóm kháng sinh sulfonamides,
tetracyclines và tiamulin trong nƣớc thải nuôi heo tại Trung Quốc bằng phƣơng
pháp sắc ký lỏng khối phổ kết hợp với cột chiết pha rắn đã đƣợc nghiên cứu bởi
nhóm các tác giả Weiwei Ben và các cộng sự [56]. Theo đó để hạn chế sự phát

triển của vi sinh vật, mẫu sau khi lấy sẽ đƣợc thêm ngay 1% dung dịch

15


methanol. Sau đó mẫu đƣợc đem đi ly tâm ở tốc độ 7000 vòng/phút trong vòng
15 phút và điều chỉnh độ pH trong khoảng từ 2,5-3 bằng axit H2SO4 và lọc qua
giấy lọc 0,45µm. Mẫu sau đó đƣợc đem chiết trên cột chiết pha rắn Oasis HLB
cùng với dung dịch rửa giải là dichloromethane /acetonemixture. Các điều kiện
tối ƣu hệ thống MS nhƣ sau: nhiệt độ mao quản 1200C; nhiệt độ hòa tan là
3000C; điện áp 3,5kV; tốc độ dòng 300l/h với chế độ quét và chọn ion (SIR).
Kết quả cho thấy phƣơng pháp có độ thu hồi của các kháng sinh từ 70-120%.
Tuy nhiên phƣơng pháp sắc ký lỏng khối phổ có chi phí lớn và quá trình
chiết mẫu phức tạp nên khó áp dụng ở nhiều phòng thí nghiệm.
1.4.2.

Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (High Performance Liquid
Chromatography - HPLC)

HPLC là một phƣơng pháp chia tách trong đó pha động là chất lỏng và
pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn đã đƣợc phân chia dƣới dạng tiểu phân hoặc
một chất lỏng phủ lên một chất mang rắn, hay một chất mang đã đƣợc biến
bằng liên kết hóa học với các nhóm chức hữu cơ. Phƣơng pháp này ngày càng
đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến vì nhiều lý do: có độ nhạy cao, khả năng
định lƣợng tốt, thích hợp tách các hợp chất khó bay hơi hoặc dễ phân hủy
nhiệt.Phạm vi ứng dụng của phƣơng pháp HPLC rất rộng, nhƣ phân tích các
hợp chất thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh, các chất phụ gia thực phẩm trong lĩnh
vực thực phẩm, dƣợc phẩm, môi trƣờng…
Phƣơng pháp này cũng rất phù hợp với việc xác định kháng sinh
tetracycline trong thực phẩm cũng nhƣ trong môi trƣờng. Do đó, nó đƣợc sử

dụng rộng rãi ở nhiều phòng thí nghiệm. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu
ứng dụng phƣơng pháp này để xác định tetracycline.
Theo [8,9,10] ba kháng sinh nhóm tetracycline gồm tetracycline (TC),
oxytetracycline (OTC) và chlortetracycline (CTC) tồn dƣ trong các sản phẩm
thịt đƣợc định lƣợng bằng phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector

16


UV từ 350-360nm. Mẫu đƣợc chiết bằng dung dịch Mcilvaine-EDTA ở pH=4,
sau đó dung dịch mẫu đƣợc chiết trên cột chiết pha rắn C18 với dung dịch rửa
giải là axit oxalic và methanol. Sau đó đƣợc đem đo trên hệ thống sắc ký lỏng
hiệu năng cao ở bƣớc sóng từ 350-360nm, cột sắc ký pha đảo C18. Cả ba tiêu
chuẩn này đều đã đƣợc quốc tế cũng nhƣ Việt Nam công nhận để áp dụng phân
tích trên các sản phẩm động vật.
Theo tác giả Nolwenn prado và cộng sự [57] đã phát triển phƣơng pháp
sắc ký lỏng hiệu năng cao và kết hợp xử lý mẫu bằng cột chiết pha rắn để xác
định hàm lƣợng tetracycline trong bùn hoạt tính tại các nhà máy xử lý nƣớc
thải. Tetracycline đƣợc chiết từ mẫu bằng hỗn hợp dung dịch đệm McilvaineEDTA, sau đó đƣợc làm sạch qua cột chiết pha rắn trao đổi anion (SAX).
Phƣơng pháp có độ thu hồi trong khoảng từ 92-103%. Giới hạn phát hiện
(LOD) là 0,1mg/L và giới hạn định lƣợng (LOQ) là 0,5mg/L.
Tại hội nghị về Môi trƣờng và tài nguyên thiên nhiên hai tác giả Yasodara
Liyanagea, Pathmalal M. Managea cũng đã đƣa ra phƣơng pháp xác định đồng
thời hai kháng sinh là Oxytetracycline (OTC) và Amphicillin (AMP) trong
nƣớc thải tại Sri Lanka là phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao với detector
UV. Mẫu đƣợc làm sạch trên cột chiết pha rắn và rửa giải bằng dung dịch
methano và isopropanol. Độ thu hồi của OTC và APM là 90% và 83% với độ
lệch chuẩn nhỏ hơn 5%. OTC đã đƣợc phát hiện với nồng độ (664.0 ±0.43 ppb)
và AMP có nồng độ trong nƣớc thải là 139.0±0.19 ppb.
Có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau để xác định tetracycline. Phƣơng

pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với detector UV phù hợp với điều kiện
phòng thí nghiệm để phân tích hàm lƣợng tetracycline. Đây là phƣơng pháp có
tốc độ nhanh, độ chọn lọc và độ nhạy cao, có thể tự động phân tích đồng thời
nhiều chất có trong mẫu. vì thế nó rất thuận lợi cho việc tách và xác định
tetracycline trong việc điều tra và nghiên cứu với số lƣợng lớn.

17


Mặt khác, HPLC là phƣơng pháp hiện đại, đang phát triển mạnh và đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm phân tích của các nƣớc tiên tiến
trên thế giới cũng nhƣ ở các phòng thí nghiệm ở Việt Nam.
1.5.

Các phƣơng pháp loại bỏ kháng sinh trong nƣớc và nƣớc thải
1.5.1. Phƣơng pháp hấp phụ

Phƣơng pháp hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách pha. Chất
có bề mặt trên đó xảy ra hấp phụ đƣợc gọi là hấp phụ, chất đƣợc tích lũy trên
bề mặt gọi là chất bị hấp phụ. Diện tích riêng bề mặt càng lớn thì khả năng hấp
phụ càng cao. Tuy nhiên, diện tích bề mặt riêng mới nói lên tiềm năng hấp phụ,
là điều kiện cần nhƣng chƣa đủ. Để sự hấp phụ xảy ra tốt, đặ biệt là hấp phụ
hóa học, còn phải xét đến yếu tố tƣơng tích về kích cỡ chất bị hấp phụ và kích
thƣớc mao quản chất hấp phụ (với vật liệu xốp), tƣơng tác, liên kết giữa chất
hấp phụ và chất bị hấp phụ. Ví dụ các chất hấp phụ có độ xốp lớn, kích cỡ mao
quản nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn vẫn hấp phụ không hiệu quả đối với các
chất hữu cơ cồng kềnh. Chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực, chất
không phân cực ƣu tiên hấp phụ lên bề mặt không phân cực.
Hấp phụ là phƣơng pháp có hiệu quả để loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ nhƣ
dƣợc phẩm trong nƣớc thải, đặc biệt là với nhiều loại dƣợc phẩm khó phân hủy

bằng phƣơng pháp sinh học nhƣ các thuốc kháng sinh. Năm 2010 hai tác giả
Liang Liang Ji, Fengling Liu [59] đã nghiên cứu tổng hợp cacbon lỗ xốp
(microporous) và lỗ xốp trung bình (mesoporous) để hấp phụ ba loại thuốc
kháng sinh là sunfamethoxazole, tetracycline, tylosin. Kết quả cho thấy vật liệu
tổng hợp đƣợc cho là những chất hấp phụ thuốc kháng sinh rất hiệu quả.
1.5.1.

Phƣơng pháp sinh học

Bản chất của quá trình xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học là sử
dụng khả năng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ

18


có trong nƣớc thải. Trong công trình xử lý sinh học, các chất ô nhiễm nhƣ chất
hữu cơ hòa tan và các chất keo đƣợc vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn cho
sự sinh trƣởng của chúng. Trong quá trình tăng trƣởng, vi sinh vật chuyển hóa
các chất ô nhiễm thành CO2, H2O và các tế bào mới (sinh khối/bùn). Các chất
ô nhiễm đƣợc loại bỏ thông qua công trình lắng để tách bùn ra khỏi nƣớc thải.
Sự phân hủy cơ chất bởi vi sinh vật sẽ làm giảm nồng độ chất ô nhiễm theo
thời gian đồng thời làm tăng khối lƣợng tế bào.
Tác giả Daouia Belkheiria và cộng sự [60]đã nghiên cứu khả năng phân
hủy sinh học của tetracycline trong nƣớc, kết hợp xử lý bằng phƣơng pháp
điện hóa. Kết quả cho thấy tỉ lệ COD/TOC giảm từ 2,7 xuống 1,9 và trạng thái
oxi hóa tăng từ 0,044 – 1,15; BOD5/COD tăng từ 0 – 0,46. Trong 11,5 ngày
nuôi cấy nồng độ TOC đã giảm đến 69%.
1.5.2.

Phƣơng pháp màng lọc

Lọc màng là phƣơng pháp phân ly màng, có rất nhiều ƣu điểm so với các
phƣơng pháp truyền thống, nhƣ tiêu hao ít năng lƣợng, thiết bị gọn nhẹ, có thể
tiến hành liên tục, có thể tiến hành dƣới điều kiện bình thƣờng, dễ dàng kết hợp
với các phƣơng pháp phân ly khác, dễ chuyển đổi quy mô, dễ vận hành lắp đặt,
chất lƣợng nƣớc rất tốt, tính ổn định cao.
Loại bỏ các loại thuốc kháng sinh bằng phƣơng pháp màng lọc có thể
thực hiện thông qua nhiều cơ chế khác nhau. Dựa vào đặc tính của các hợp
chất nhƣ khối lƣợng phân tử, pKa, tính kỵ nƣớc/háu nƣớc, hay dung dịch có độ
pH, cƣờng độ ion mà lựa chọn các loại màng lọc có bản chất vật liệu khác
nhau nhƣ trạng thái bề mặt, kích thƣớc lỗ màng lọc hay kỹ thuật lọc. Thẩm
thấu ngƣợc (RO, kích cỡ khe hở màng lọc <0.001µm) trong nhƣng năm gần
đây đã chứng minh đƣợc khả năng loại bỏ các hợp chất trong dƣợc phẩm nhƣ
các loại thuốc kháng sinh trong nƣớc thải. Nhiều nghiên cứu cho thấy có đến
90% các loại kháng sinh đã đƣợc loại bỏ [61,62]. Theo nghiên cứu của

19


Kosutı'ce và cộng sự (2007) về xử lý nƣớc thải tại nhà máy sản xuất dƣợc
phẩm dùng trong thú y cho thấy sulfonamides đã đƣợc loại bỏ hiệu quả bằng
công nghệ RO (thẩm thấu ngƣợc) và công nghệ nano (kích cỡ khe hở màng
lọc: 0,001 µm). Còn theo nghiên cứu của Li và cộng sự [63], oxytetracycline ở
nồng độ rất cao (1000mg/L) trong nƣớc thải từ nhà máy sản xuất dƣợc phẩm đã
đƣợc loại bỏ tới hơn 92% khi sử dụng cộng nghệ lọc RO.
Mặc dù có khả năng loại bỏ các loại kháng sinh với hiệu suất cao. Tuy
nhiên chi phí để lắp đặt những công nghệ này lại khá tốn kém, mặt khác thiết bị
có cấu tạo phức tạp nhƣng công suất cấp nƣớc nhỏ và chi phí dùng điện cao.
1.5.3.

Phƣơng pháp phân hủy hóa học dựa vào các quá trình oxi hóa nâng cao
(AOPs)

Quá trình oxi hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes –AOPs) là
phƣơng pháp đặc hiệu để xử lý những thành phần ô nhiễm hữu có mà các
phƣơng pháp xử lý sinh học không thể giải quyết nổi. Phƣơng pháp này đƣợc
xem nhƣ thành tựu khoa học mới trong lĩnh vực xử lý nƣớc và nƣớc thải trong
gần hai thập kỷ gần đây của thế giới.
Bản chất phƣơng pháp là tiến hành phân hủy các thành phần ô nhiễm hữu
cơ bền vững (không thể bị phân hủy sinh học) dựa vào quá trình oxi hóa mạnh
hơn bình thƣờng (tức quá trình oxi hóa nâng cao- AOP), để đủ khả năng phá
hủy các liên kết hóa học bền vững trong các chất ô nhiễm. Quá trình oxi hóa
nâng cao dựa vào tác nhân oxi hóa mạnh là gốc tự do Hydroxyl (*OH), đồng
thời khi phản ứng với các chất ô nhiễm hữu cơ, chúng xảy ra với tốc độ rất
nhanh, hàng nghìn đến hàng tỷ lần so với các tác nhân oxi hóa thông thƣờng.
Một số nghiên cứu đã đƣa ra bằng chứng về việc sử dụng hiệu quả
phƣơng pháp AOPs để loại bỏ kháng sinh trong nƣớc và nƣớc thải [64,65].
Phƣơng pháp AOPs có sự linh hoạt cao bởi thực tế có nhiều cách khác nhau để
tạo thành các gốc hydroxyl *OH, thuận lợi cho việc xử lý đặc hiệu các chất ô

20


nhiễm khác nhau
1.5.4.1. Quá trình oxy hóa bằng Ozon

Ozon là một chất oxy hóa có hoạt tính cao và độ hòa tan trong nƣớc lớn
gấp 10 lần O2 Nó bền trong môi trƣờng axit hơn so với môi trƣờng bazơ.
Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc sử dụng để xử lý nƣớc thải có chứa chất hữu cơ
ở dạng hòa tan và dạng keo nhờ khả năng oxy hóa rất cao, dễ dàng nhƣờng oxy

nguyên tử hoạt tính cho các chất hữu cơ. Ozon còn sử dụng để làm sạch nƣớc
thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, hydrosunfua, các hợp chất asen, chất hoạt
động bề mặt, xyanua, phẩm nhuộm, tiêu diệt các vi khuẩn. Độ hòa tan của ozon
trong nƣớc phụ thuộc vào độ pH và hàm lƣợng chất tan trong nƣớc thải. Với
môi trƣờng axit có muối trung tính sẽ làm tăng độ hòa tan của ozon, ngƣợc lại,
trong môi trƣờng kiềm sẽ làm giảm độ hòa tan của ozon.
Ozon tác dụng với các hợp chất hữu cơ tan trong nƣớc chủ yếu theo hai cơ
chế sau:
Cơ chế 1: Ozon phản ứng trực tiếp với chất hữu cơ Ozon khi hòa tan vào
nƣớc sẽ tác dụng với các hợp chất hữu cơ, tạo thành dạng oxy hóa của chúng.
Nhƣng phản ứng trực tiếp của ozon với các hợp chất hữu cơ có tính chọn lọc,
tức là ozon chỉ phản ứng với một số loại hợp chất hữu cơ nhất định. Sản phẩm
của các quá trình ozon hóa trƣc tiếp các chất vòng thơm bằng ozon thƣờng là
các axit hữu cơ hoặc các muối của chúng. Ngoài ra, nghiên cứu cho thấy cơ chế
này xảy ra tƣơng đối chậm và chiếm ƣu thế ở khoảng pH thấp.
Cơ chế 2: Ozon phản ứng với chất thông qua các gốc tự do Khi sục O3
vào nƣớc, chất oxy hóa thứ cấp là gốc tự do * OH đƣợc hình thành và chính sự
có mặt của các gốc tự do này giúp hiệu quả oxy hóa đƣợc nâng cao. Hoigné và
các cộng sự (1977) đã nhận thấy, trong điều kiện axit, con đƣờng oxy hóa trực
tiếp bằng phân tử ozon là chủ yếu, trong khi đó, trong điều kiện pH cao, hoặc
trong những điều kiện có tác nhân khác nhƣ H2O2, UV, chất xúc tác,... tạo điều

21


kiện thuận lợi cho quá trình tạo gốc * OH, con đƣờng oxy hóa gián tiếp thông
qua gốc hydroxyl sẽ là chủ yếu và hiệu quả oxy hóa đƣợc nâng cao. Do đó,
thay vì sử dụng ozon một mình, nhiều công trình nghiên cứu đã theo hƣớng tìm
kiếm các tác nhân phối hợp với ozon hoặc chất xúc tác nhằm tạo ra gốc *OH
để nâng cao hiệu quả oxy hóa của ozon khi cần xử lý những hợp chất bền vững,

khó phân hủy ở trong nƣớc thải. Đó chính là quá trình oxy hóa nâng cao trên cơ
sở của ozon.
Theo nghiên cứu của Balcıoglu and Otker chỉ ra rằng có đến 80% kháng
sinh β-lactam trong nƣớc thải đã đƣợc loại bỏ trong 60 phút khi sử dụng quy
trình oxy hóa bằng ozon [66]. Michael C.Dodd và cộng sự [67] đã nghiên cứu
sử dụng ozon để loại bỏ 14 kháng sinh từ 9 nhóm khác nhau trong nƣớc thải.
Kết quả cho thấy các kháng sinh nhƣ

β-lactams, sulfonamides, macrolides,

quinolones, trimethoprim và tetracycline đã đƣợc chuyển hóa qua quá trình oxy
hóa trực tiếp O3, trong khi penicillin G, cephalexin và

N4-

acetylsulfamethoxazole lại đƣợc oxy hóa ở mức độ lớn hơn bởi các gốc
hydroxyl.
Tuy nhiên quy trình hoạt động cũng nhƣ tối ƣu hóa các điều kiện vẫn chƣa
đƣợc xác định đối với nƣớc và nƣớc thải khác nhau cũng nhƣ đối với các loại
kháng sinh khác nhau.
1.5.4.2. Quy trình oxy hóa Fenton

Quá trình này dùng tác nhân là tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe2+ làm tác nhân
oxy hóa. Quá trình này có ƣu điểm ở chỗ các tác nhân H2O2 và muối sắt tƣơng
đối rẻ và có sẵn, đồng thời không độc hại, dễ vận chuyển, dể sử dụng trong khi
đó hiệu quả oxy hóa đƣợc nâng cao hơn rất nhiều so với H2O2 sử dụng một
mình. Nhƣợc điểm của nó là, việc oxy hóa có thể dẫn tới khoáng hóa hoàn toàn
các chất hữu cơ thành CO2, nƣớc, các ion vô cơ và do vậy phải sử dụng nhiều
hóa chất sau xử lý này làm cho chi phí xử lý cao. Do vậy, trong nhiều trƣờng

22


hợp chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để phân hủy từng phần, chuyên các chất
hữu cơ không thể hoặc khó phân hủy sinh học thành các chất mới có khả năng
phân hủy sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp
sau. Quy trình fenton dễ bị ảnh hƣởng bởi pH, trong môi trƣờng axit sẽ rất
thuận lợi cho quá trình tạo gốc hydroxyl tự do * OH, trong khi ở môi trƣờng
pH cao, quá trình kết tủa Fe3+ xảy ra nhanh hơn, làm giảm nguồn tạo ra Fe2+,
trở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng. Quá trình Fenton đã và đang đƣợc
ứng dụng rộng rãi và ngày càng phổ biến hơn trên thế giới cũng nhƣ ở Việt
Nam để xử lý một số loại nƣớc thải chứa các chất khó (ít) phân hủy sinh học ở
thể keo và dạng hòa tan mà việc áp dụng các phƣơng pháp truyền thống (cơ
học, hóa lý, sinh học) thƣờng kém hiệu quả.
1.5.4.3. Quá trình quang hóa xúc tác nano TiO2

Tinh thể TiO2 có nhiều dạng cấu trúc trong đó có 2 dạng chính thƣờng
gặp là dạng rutile và dạng anatase. Pha anatase chỉ bắt đầu chuyển sang pha
rutile ở nhiệt độ khoảng 9150C nên dạng anatase là phổ bến hơn trong hai dạng
cấu trúc. Ngoài hai dạng thƣờng gặp trên TiO2 còn có một số dạng cấu trúc
khác nhƣ brookite, quarzt, feldspars, hematite, chlorite…. Trong hai dạng cấu
trúc trên thì dạng anatase có hoạt tính xúc tác mạnh hơn khi có ánh sáng mặt
trời nguyên nhân là do khác nhau về năng lƣợng vùng cấm.
Trong xúc tác quang, khi chất bán dẫn bị kích thích bởi một photon có
năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng vùng dẫn thì một cặp electron – lỗ trống đƣợc
hình thành. Thời gian sống của lỗ trống và electron dẫn là rất nhỏ, cỡ nano
giây. Sau khi hình thành, cặp electron – lỗ trống có thể trải qua một số quá trình
nhƣ: tái hợp sinh ra nhiệt; lỗ trống và electron di chuyển đến bề mặt và tƣơng
tác với các chất cho và chất nhận electron. Trong các quá trình trên, các quá
trình tái hợp làm cho hiệu suất của quá trình xúc tác quang giảm. quá trình cho

nhận electron trên bề mặt chất bán dẫn sẽ hiệu quả hơn nếu các tiểu phân vô cơ

23


hoặc hữu cơ đã đƣợc hấp phụ sẵn trên bề mặt. Xác xuất và tốc độ của quá trình
oxi hóa và khử của electron và lỗ trống phụ thuộc vào vị trí bờ vùng dẫn, vùng
hóa trị và thế oxi hóa khử của tiểu phân hấp phụ.
Trong những chất xúc tác quang, TiO2 là một xúc tác lý tƣởng vì nó bền
về mặt hóa học và lỗ trống sinh ra trong TiO2 có tính oxi hóa cao. Thế oxi hóa
của lỗ trống sinh ra trên bề mặt TiO2 là +2,53V so với thế điện cực chuẩn của
điện cực hidro, trong dung dịch nƣớc pH=7. Lỗ trống này dễ dàng tác dụng với
phân tử nƣớc hoặc anion hydroxyl trên bề mặt của TiO2 tạo thành gốc
hydroxyl tự do. Thế của cặp OH*/OH- chỉ nhỏ hơn so với thế oxi hóa của lỗ
trống một chút nhƣng vẫn lớn hơn thế oxi hóa của ozon (O3/O2). Nhiều thí
nghiệm đã đƣợc tiến hành để kiểm tra tính khả thi của việc kết hợp sử dụng
TiO2 với ánh sáng UV, ánh sáng mặt trời… Theo báo cáo của Rizzo và các
cộng sự [68] cho thấy Amoxicillin đã đƣợc loại bỏ hoàn toàn từ nƣớc thải của
nhà máy xử lý nƣớc thành phố khi sử dụng TiO2 với nồng độ 0,8g/L sau 120
phút. Hay theo nghiên cứu của Michaell cũng đã loại bỏ ofloxacin trong nƣớc
thải bằng cách sử dụng TiO2 nồng độ 3g/L [69].
1.6.

Các phƣơng pháp tổng hợp hạt nano TiO2
1.6.1.Phƣơng pháp điện hóa

Phƣơng pháp điện hóa thƣờng đƣợc sử dụng để sản xuất một lớp phủ,
thƣờng là kim loại, trên một bề mặt qua catod, anod oxy hóa Titan trong những
chất điện phân khác nhau. Ảnh hƣởng của các thông số tổng hợp đã đƣợc
nghiên cứu rộng rãi [32,33]. Trong số các nhóm khác nhau nghiên cứu quá

trình oxy hóa anod, Grimes và cộng sự đã quan sát sự hình thành nano Titan
trên một lá Titan mỏng sau khi điện phân anod trong dung dịch HF ở các nồng
độ khác nhau [34,35].
1.6.2.Phƣơng pháp thủy nhiệt

24