- Trang chủ
- >>
- Tin tức
- >>
- Chế tạo và đặc tính của sợi nano - chitin và màng chitin trong suốt bằng siêu âm xung
1. Giới thiệu
Các polyme tự nhiên hấp dẫn hơn nhiều so với các polyme nhân tạo do các đặc tính " Xanh " của chúng, như khả năng phân hủy sinh học, tính tương thích sinh học, khả năng tái tạo và tính bền vững (Ifuku & Saimoto, 2012) và rất phù hợp với dược phẩm có kiểm soát, mỹ phẩm, thực phẩm, phân bón, kỹ thuật mô (Lu et al., 2012; Muzzarelli, 2009; Watthanaphanit, Supaphol, Tamura, Tokura, & Rujiravanit, 2008) và vật liệu đóng gói phân hủy sinh học (Synowiecki & Al-Khateeb, 2003). Do đó, việc sản xuất các sợi nano với các polyme tự nhiên, cụ thể là cellulose và chitin, đã nhận được sự chú ý ngày càng tăng (Ding et al., 2012; Ifuku& Saimoto, 2012; Ifuku và cộng sự, 2009; Muzzarelli và cộng sự, 2007; Qin,Lu, Sun, & Rogers, 2010; Zeng, He, Li, & Wang, 2011). Tuy nhiên, các arthropodons exthkelodon, chitin microfibril lại nằm trong trong các protein và khoáng chất (Chen, Lin, McKittrick, & Meyers, 2008). Do đó, rất cần các phương pháp hiệu quả để chiết xuất sợi nano từ sinh khối trực tiếp. Và cần phải phát triển một cách tiếp cận đơn giản để tổng hợp các sợi nano tự nhiên mà không làm thay đổi cấu trúc hóa học của chúng. Trong số các cách tiếp cận khác nhau, việc sử dụng siêu âm để tổng hợp vật liệu đã được sử dụng rộng rãi đã được kiểm chứng trong nhiều năm và hiện là một trong những công cụ mạnh nhất trong tổng hợp vật liệu cấu trúc nano (Bang & Suslick,2010; Zeiger & Suslick, 2011). Các tác động hóa học của siêu âm là do xâm thực âm thanh, tạo ra các điểm nóng cục bộ với nhiệt độ rất cao (> 5000K), áp suất (> 20 MPa) và tốc độ làm nóng / lạnh (> 1010 K / s) (Suslick, 1990). Các môi trường khắc nghiệt như vậy cung cấp một nền tảng duy nhất để phá vỡ liên kết cellulose interibrillar hydrogen mạnh, cho phép các sợi nano bị tan rã dần (Cheng, Wang, & Han, 2010; Tischer, Sierakowski, Westfahl, & Tischer, 2010; Zhao, Feng, & Gao, 2007). Hơn nữa, phương pháp phân lập này có thể được áp dụng phổ biến cho tất cả các nguồn sinh khối bao gồm các sợi nano và các ma trận nhúng khác. Theo đó, nghiên cứu này khảo sát chiết xuất sợi nano -chitin tự nhiên từ vỏ tôm dưới tác dụng siêu âm xung. Chitin rất giàu polysacarit đứng thứ hai sauxenluloza. Thường có trong động vật chân đốt, động vật thân mềm và nấm. Chitin là tổng hợp in vivo dưới dạng một aminopolysacarit vô định hình sẵn sàng liên kết với protein; do đó, chitin cô lập là một phần (khoảng 10%) bị khử acetyl hóa (1-4) -2-acetamido-2-deoxy - d-glucan (Muzzarelli, 2011; Muzzarelli et al., 2012). Thật không may, hầu hết chitin bị loại bỏ như một sản phẩm phụ của ngành công nghiệp thực phẩm (chủ yếu là vỏ tôm và vỏ cua) mà không sử dụng hiệu quả. Do đó, điều quan trọng là phát triển các phương pháp hiệu quả để khai thác tài nguyên này.
Chuỗi chitin có xu hướng được kết nối bởi cả hai liên kết hydro và lực Van derWaals, tạo thành cấu trúc microfibril. Các chitin tự nhiên trong vỏ động vật giáp xác kết tinh mạnh và được sắp xếp theo kiểu phản song song như các vi sợi -chitin. Các microfibrils này bao gồm các sợi nano với đường kính 2, 5nm và độ dài ∼300nm được nhúng trong ma trận protein (Chen và cộng sự, 2008; Giraud-Guille, 1984; Raabe et al., 2006).
2. Nguyên liệu và phương pháp
2.1. Nguyen liệu thô
Sử dụng vỏ tôm sú. Tất cả tôm đã được bóc vỏ cẩn thận để loại bỏ thịt giữ lại lưng và đuôi. Những nguyên liệu này được rửa ba lần bằng nước sạch, sấy khô trong không khí và sàng qua rây lưới 60. Vỏ đất được sử dụng như một nguồn sợi sinh khối chitinous. Hoặc cũng có thể mua Chitin từ Aladdin. Ethanol, natri chlorite, axit axetic, kali hydroxit, axit hydrochloric, rượu t-butyl (t-BuOH) và các hóa chất phòng thí nghiệm và được sử dụng mà không cần tinh chế thêm.
2.2 Tinh chế Chitin bằng loại bỏ các thành phần ma trận
Vỏ tôm tươi khô đã được tinh chế để bị tiền xử lý sợi nano chitin. Đầu tiên, khoảng 2 g vỏ tôm được ngâm trong thiết bị Soxhlet với 95% ethanol ở 80 ◦C trong 6 giờ dưới dòng hồi lưu để loại bỏ các thành phần sắc tố và lipid, sau đó vỏ tôm được rửa sạch bằng nước. Vỏ tôm sau đó được xử lý bằng dung dịch natri clorit đã axit hóa (1,5% trọng lượng NaClO2, được đệm đến pH 4.0) ở 80 ◦C trong 5 giờ. Các mẫu được xử lý trong 5% khối lượng KOH ở 90 ◦C trong 2 giờ và sau đó trong các dung dịch HCl 3,6% ở 80 C trong 2 giờ để loại bỏ protein và muối khoáng, như canxi cacbonat (Hình 1). Các bước xử lý bằng axit và kiềm được lặp lại 3 lần, sau đó lọc và rửa bằng nước cất. Do quá trình sấy sợi chitin tạo ra liên kết hydro mạnh giữa các sợi, chitin phải được giữ ẩm sau khi tinh chế cho quá trình lọc nano tiếp theo (Abe, Iwamoto, & Yano, 2007; Ifuku et al., 2009).
Hình 1 Quy trình thực nghiệm để tách riêng sợi nano anpha-chitin từ vỏ tôm
1.2 Tạo sợi nano chitin sử dụng siêu âm
Để tạo điều kiện cho quá trình sản xuất sợi nano, chitin ướt tinh khiết được phân tán trong nước sao cho khoảng 400 mL bùn chứa nước chứa 0,5% khối lượng mẫu. Sonication được thực hiện ở 60 kHz với Sonifier® Cell Disruptor / Homogeniser (S450D, Branson Ultrasonics Corp) với đầu phát titan đường kính 1 cm2. Các thực nghiệm siêu âm tiếp theo được thực hiện theo chu kỳ tác vụ 50% (nghĩa là chu kỳ lặp lại xử lý siêu âm 0,5 giây và tắt máy 0,5 giây) để giảm sự thay đổi nhiệt độ và được tiến hành trong 30 phút với công suất đầu ra 300W để cô lập các sợi . Xử lý bằng siêu âm được thực hiện trong bể nước đá / nước và nước đá được duy trì trong suốt quá trình siêu âm. Một huyền phù nước chứa các sợi nano chitin đã thu được sau ly tâm (5000 vòng / phút, 5 phút).
1.3 Chế tạo màng nguyên chất và bọt với sợi nano chitin
Huyền phù cần lọc bằng màng cellulose ống lọc ( mặt phẳng trung bình = 76 mm, trọng lượng phân tử cắt = 14.000, Sigmaâ € Aldrich), được treo thẳng đứng ở một nơi sạch sẽ, thông gió tốt. Với sự mất mát của các phân tử nước, khối lượng huyền phù đã giảm hai phần ba sau 48 giờ. Huyền phù đập đặc được thu thập ở dưới cùng của quá trình lọc , chứa 1,5% khối lượng sợi nano và có độ nhớt cao bề ngoài giống như gel. Một số hydrogel này cần thay dung môi bằng t-BuOH, sau đó các chất hữu cơ nano (chitin) có chứa t-BuOH và hydrogel chitin khác được đông khô ở nhiệt độ - 55 và sấy khô chân không trong 24 giờ áp suất micro25 Pa.
Hình 2 Ảnh SEM (a) Vỏ tôm khô chưa tinh sạch, (b) Sau khi siêu âm 5 phút và (c) sau 30 phút siêu âm, phần bên trong ảnh SEM là phần phóng to, (d), (e), (f) là phân bố đường kính tương ứng của sợi trong các ảnh (a), (b), (c) và phần bên trong là phổ EDS
Xốp Chitin sẽ thu được. Màng lọc còn lại được giải phóng cẩn thận và ngâm đầy nước trong bể. Màng ướt chitin mỏng ngay lập tức được lấy ra khỏi phần bên trong của màng lọc máu. Màng trong suốt tinh khiết thu được sau khi sấy khô trong không khí. Huyền phù nước mà không lọc cũng có thể thu được bằng quy trình tương tự như hydrogel chitin. Đầu tiên, huyền phù gốc được đổ vào các khuôn và sau đó được đặt trong tủ lạnh ở âm -55 oC. Tiếp theo, các mẫu đông lạnh được sấy khô bằng cách sử dụng máy sấy đông khô Sciencez-10N (BT6K-ES, Virtis). Nhiệt độ bẫy lạnh thấp hơn- 65 oC và áp suất chân không dưới 25 microPa trong suốt quá trình sấy khô. Các mẫu chitin sonofibrillated đã thu được và được sử dụng để đặc tính hóa.
1.2 Đặc tính hóa
Phổ EDS và hình ảnh SEM được ghi lại trên thiết bị FEI Quanta 200 SEM-EDS (EDS / EDX Genesis, EDAX Inc.), trong đó SEM được trang bị khả năng phân tích nguyên tố. Các hình ảnh SEM thu được bằng cách sử dụng máy phủ tự động (JFC-1600; JEOL Ltd.) để phủ các mẫu bằng vàng để cải thiện độ dẫn.
Các mẫu XRD của nguyên liệu thô và sợi nano chitin tương ứng được đo bằng XRD (D/max 2200, Rigaku) sử dụng bức xạ Cu K được lọc Ni (= 1.5406A) ở 40 kV và 30 mA. Bức xạ tán xạ được phát hiện trong phạm vi 2 = 5◦ - 40◦ với tốc độ quét 4◦ / phút. Độ chính xác và độ chính xác của các vị trí đỉnh nhiễu xạ từ phổ nhiễu xạ của nguyên liệu thô và sản phẩm sử lý bằng phần mềm PeakFit® (Sea-Solve Software Inc., Richmond, CA) để đánh giá sự phù hợp của phương pháp xác định cấu trúc tinh thể chitin không dễ thấy trong phổ nhiễu xạ của nó (Cárdenas, Cabrera, Taboada, & Miranda, 2004). Chỉ số tinh thể (CrI) thu được là tỷ lệ của khu vực phát sinh từ pha kết tinh thể trên tổng diện tích (Park, Baker, Himmel, Parilla, & Johnson, 2010).
Phổ FTIR được ghi lại trên thiết bị hồng ngoại biến đổi Fourier (Magna 560, Nicolet, Thermo Electron Corp) trongphạm vi 400-4000 cm-1 với độ phân giải 4 cm-1. Tất cả các nguyên liệu thô và mẫu khô được nghiền thành bột bằng máy nghiền siêu mịn và sau đó trộn với KBr trước khi ép hỗn hợp thành viên siêu mỏng.
Hình 3. Sự cá thể hóa các sợi nano -chitin từ vỏ tôm với thiết bị siêu âm quy mô phòng thí nghiệm điển hình trong điều kiện trung tính. Các microfibrils chitin tinh khiết có đường kính nm200nm tạo thành cấu trúc ván ép xoắn điển hình của lớp biểu bì, và lần đầu tiên được tách thành các sợi fibrin mỏng hơn sau 5 phút xử lý siêu âm dọc theo trục của sợi. Tất cả các sợi fibrin chitin này được phân tách thành các sợi nano có chiều rộng 20nm, được tập hợp bởi các sợi nano -chitin. Mỗi nanofibril tinh thể chứa 18 phân tử chitin.
Phân tán sợi nano chitin trong cuvette thạch anh và đo độ truyền qua trong giải từ 300 đến 800nm bằng máy quang phổ kế UV-Vis (UV-1800, Shinadzu Corp, Nhật Bản). Phổ trắng đo trong cuvet chứa nước khử ion.
3. Kết quả và thảo luận
3.1 Chuẩn bị sợi nano chitin
Hình 2a cho thấy cấu trúc vi mô của vỏ tôm sú (Penaeus monodon) giống như mô hình biểu bì động vật chân đốt. Rõ ràng, các vi sợi chitin được bó lại được xếp chồng lên nhau và đường kính trung bình của các bó ban đầu này là ∼231nm (Hình 2d). Giàu Ca (39,63 wt%) và một ít Mg (1,33 wt%) đã được phát hiện trong vỏ tôm chưa được lọc, xác minh bằng phổ EDS của nó (hình trong hình 2d). Hình 2b và c cho thấy hình ảnh SEM của mẫu sau 5 và 30 phút xử lý siêu âm, tương ứng, tạo ra nhiều các sợi cơ thanh mảnh với đường kính ∼105 nm và 20nm. Các vi sợi chitin được bó lại đã bị phân rã thành kích thước nano trong quy trình siêu âm và đường kính của các sợi nano chitin tách rời giảm với thời gian xử lý bằng siêu âm ngày càng tăng. Ngoài ra, các đỉnh Ca và Mg biến mất trong phổ EDS của các mẫu (phần trong hình 2e và f), chỉ ra rằng các chất ma trận (protein và khoáng chất) đã bị loại bỏ hoàn toàn trong quá trình xử lý siêu âm.
Như thể hiện trong hình. 1 và 3, bộ xương của động vật giáp xác có một tổ chức phân cấp chặt chẽ, bao gồm các sợi nano tinh thể cũng như các protein và khoáng chất khác nhau (Ifuku et al., 2009). Mức phân tử thấp nhất là chính chitin, monome acetyl glucosamine. Khoảng 18 phân tử chitin được xếp thẳng hàng theo kiểu phản song song, thể hiện dạng trực giao bao gồm các tinh thể -chitin ở dạng sợi nano mỏng hơn có đường kính khoảng 3nm. Các sợi nano chitin kết tinh này được bọc trong các lớp protein để tạo thành các sợi nano protein chitin dày 5 đến 50nm, có thể được coi là cấp độ thứ ba của hệ thống phân cấp cấu trúc.
Trong quá trình siêu âm, thành phần chitin trước hết làđược chiết xuất từ vỏ tôm sau khi tinh chế hóa học (bao gồm khử màu, khử khoáng và khoáng hóa). Như được hiển thị trong Hình 3, huyền phù chitin tinh khiết với nồng độ 0,5% trọng lượng được truyền qua bộ xử lý siêu âm để khử rung nano. Chiến lược này dựa trên một cơ chế siêu âm: siêu âm làm cho các sợi tự nhiên tháo rời thành các sợi nano trong nước thông qua xâm thực, hình thành, tăng trưởng và nổ của bong bóng trong dung dịch. Ví dụ, các bong bóng khí nhỏ (khoang) sẽ được tạo ra trong huyền phù nước chitin khi huyền phù được xử lý bằng siêu âm. Những bong bóng khí nhỏ này hấp thụ năng lượng từ sóng âm và phát triển nhanh chóng dưới cường độ siêu âm cao. Tuy nhiên, khoang này sẽ nổ tung khi khoang phát triển quá mức và chất lỏng xung quanh ùa vào. Sự nổ của khoang tạo ra một môi trường khác thường và tạo ra sóng áp suất cao và sóng xung trong một thời gian ngắn. Sự sụp đổ dữ dội này gây ra các tương tác sóng xung kích hạt trực tiếp (Zeiger & Suslick, 2011) và là con đường chính để phân tách các sợi chitin dọc theo hướng dọc trục. Do đó, tác động siêu âm phá vỡ liên kết hydro chibrin tương đối yếu và lực Van der Waals, dần dần phân hủy các sợi chitin ở quy mô siêu nhỏ thành sợi nano (Zhao et al., 2007).
Phương pháp cá biệt hóa vật lý này cũng được sử dụng để xử lý chitin cấp độ thương mại (PG-chitin), trong đó các microfibrils chitin bao gồm các bó sợi nano kết hợp. Các sợi nano chitin tương tự có độ rộng đồng nhất 20nm cũng thu được sau 30 phút xử lý siêu âm (Hình S1 trong dữ liệu bổ sung). Phương pháp xử lý siêu âm là một con đường hiệu quả để tạo các sợi nano siêu mịn từ chitin vi sợi.
Các sợi nano chitin thu được được phân tán thành trong nước khử ion (0,5% trọng lượng) và phổ UV UV của chúng được hiển thị trong Hình 4. Sau khi tinh chế hóa học đơn giản, các sợi nano chitin có khả năng kết tủa ở đáy chai hơn là phân tán tốt trong nước (hình nhỏ của hình 4). Khi mẫu được xử lý qua các xung siêu âm 300W trong 5 phút, các sợi nano thu được có thể phân tán vào nước khử ion (chai b trong hình 4). Tuy nhiên, độ truyền qua của nó rất thấp trong giải 300-800 nm. Ví dụ, độ truyền qua của huyền phù đục ở 600nm nhỏ hơn 45% (đường cong b trong Hình 4), cho thấy rằng một lượng đáng kể các gói hoặc tập hợp các sợi nano vẫn còn tồn tại trong sự phân tán. Khi quá trình siêu âm được kéo dài đến 20 phút, sự phân tán của các sợi nano thu được trở nên rõ ràng hơn và độ truyền quaở 600nm lớn hơn 75% (đường cong c trong Hình 4). Nếu việc xử lý siêu âm được thực hiện trong 30 phút, có thể thu được sự phân tán đồng nhất của sợi nano chitin trong nước và độ truyền qua của tán sắc cao tới 89% trong phạm vi ánh sáng khả kiến (đường cong d trong Hình 4). Rõ ràng, xử lý siêu âm có thể tháo rời các sợi nano chitin tổng hợp để tạo thành một sợi nano chitin trong suốt và nhớt phân tán trong nước.
Hình 4. Hình ảnh và phổ UV UV về sự phân tán của (a) mẫu tinh khiết 0,5% khối lượng mẫu ướt, (b) 0,5% khối lượng phân tán chitin sau 5 phút siêu âm, (c) sau 20 phút xử lý, (d) chitin được sợi nano sợi nano (0,5% trọng lượng) sau 30 phút siêu âm và (e) nước khử ion.
3.2 Đặc tính hóa sợi nano Chitin
Hình 5a cho thấy phổ FT-IR được chuẩn hóa của bột vỏ tôm khô có nguồn gốc từ tôm sú mà không cần tinh chế và các sợi nano chitin mới với thời gian xử lý siêu âm khác nhau thu được từ vỏ tôm bằng cách loại bỏ các thành phần ma trận. Để so sánh, sử dụng thêm phổ của PG-chitin thương mại (Hình S2 trong dữ liệu bổ sung). Rõ ràng, phổ của bột vỏ tôm khô rất khác so với các sợi nano chitin mới được điều chế, phù hợp với phổ của PG-chitin thương mại. Đầu tiên, dải hấp thụ ở 1398 cm -1 biến mất sau khi xử lý siêu âm. Thấy rằng dải hấp thụ này là có đối với protein, sự biến mất này cho thấy xử lý siêu âm đã loại bỏ hoàn toàn tất cả các protein. Hơn nữa, các đỉnh hấp thụ đặc trưng từ các sợi nano chitin được tóm tắt trong Bảng 1. (Cárdenas et al., 2004; Muzzarelli et al., 2007; Naumann, Barnickel, Bradaczek, Labischinski, & Giesbrecht, 1982; Sdrobis et. Sikorski, Hori, & Wada, 2009; Yamaguchi, Nge, Takemura, Hori, & Ono, 2005). Các liên kết hydro trong cấu trúc tinh thể -chitin như sau, các nhóm C (3) OH là liên kết hydro nội phân tử với O (5) và C (6) OH (3450 cm 1 và 3483 cm 1); Các nhóm C (6) OH được liên kết hydro liên phân tử với các nhóm C (6) OH liền kề (3269 cm 1); và một nửa các nhóm C (6) OH liên kết hydro liên phân tử với C O cùng một lúc(1624 cm 1). Các nhóm C O cũng được liên kết hydro với NH của chuỗi chitin song song tiếp theo (1660 cm 1). Các đỉnh hấp thụ mạnh ở vùng carbonyl đặc biệt đặc trưng của khan -chitin (Gopalan Nair & Dufresne, 2003). Bên cạnh các đỉnh phân tách amide I (CO kéo dài) và các cực đại kéo dài OH, sự hiện diện của các sợi nano -chitin tinh khiết được xác nhận bởi dải kéo dài NH ở 3269 cm -1, dải amide II ở 1558 cm -1 và amide II dải ở 1313 cm -1. Amide II và amide III trong chitin tương ứng với các chế độ uốn NH trộn lẫn với chế độ kéo dài CN cho các sợi nano chitin (Jin et al., 2013).
Để có được độ kết tinh của các mẫu và phân tích tác động xử lý bằng siêu âm về việc tái sắp xếp các sợi nano chitin, nghiên cứu XRD đã được thực hiện. Hình 5b cho thấy hình ảnh nhiễu xạ của các mẫu chitin được điều chế bằng tạo sợi siêu âm với thời gian xử lý khác nhau và bột vỏ tôm đã được tinh chế hóa học mà không cần tạo sợi nano. Các đỉnh nhiễu xạ của tất cả các mẫu chitin được quan sát thấy ở 9.3◦, 12.8◦, 19.3◦, 20.9◦, 23.4◦ và 26.2◦, tương ứng với các mặt phẳng của (0 2 0), (1 0 1), (1 1 0), (1 2 0), (1 3 0) và (0 1 3) lần lượt. Đỉnh nhiễu xạ ở 29,6◦ hoàn toàn không có trong tất cả các cấu hình nhiễu xạ tia X đã chuẩn hóa; đỉnh này là đặc trưng của canxi cacbonat, chỉ ra rằng thành phần khoáng chất đã được loại bỏ triệt để trong quá trình khử khoáng.
Hình 5. (a) Phổ FT-IR của bột vỏ cầm đồ khô làm nguyên liệu thô mà không cần tinh chế, a. mẫu chitin tinh khiết hóa học từ vỏ tôm, b. sau 5 phút siêu âm, c. sau 20 phút xử lý, d. chitin tạo sợi nano sau 30 phút siêu âm, và e. PG-chitin khô được tiền tinh chế từ vỏ giáp xác. (b) Profile nhiễu xạ tia X của chitin đã được tinh chế hóa học từ vỏ tôm, các mẫu được tạo sợi bằng siêu âm sau 5 phút, 20 phút và 30 phút riêng lẻ. Hình nhỏ của (b) cho thấy độ kết tinh tương ứng.
Độ kết tinh của mẫu chitin tạo sợi siêu âm (CrI = 60 cạn66) thay đổi rất ít với bột vỏ tinh khiết hóa học (CrI = 65.1) vì các sợi nano chitin tinh thể (mức phân cấp thứ hai) về cơ bản không thay đổi bởi sự siêu âm. Profile nhiễu xạ của các sợi nano chitin rất giống với bột vỏ tinh khiết, cho thấy cấu trúc tinh thể của các sợi nano thu được không thay đổi đáng kể sau 30 phút siêu âm. Do đó, cấu trúc phân tử ban đầu và cấu trúc tinh thể chitin được duy trì đáng kể ngay cả sau khi loại bỏ ma trận và các phương pháp điều trị siêu âm. Hơn nữa, kết quả cho thấy rằng thêm thời gian ứng dụng siêu âm làm tăng mức độ kết tinh của sợi chitin (hình 5b). CrI của mẫu thậm chí cao hơn vật liệu ban đầu sau 30 phút siêu âm. Hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy cellulose vi khuẩn được xử lý siêu âm (Tischer et al., 2010).
Bảng 1 Tần số (cm-1) của các tín hiệu chính của sợi nano -chitin từ vỏ tôm và các liên kết
Đỉnh nhiễu xạ ở 29,6◦ hoàn toàn không có từ tất cả các profile nhiễu xạ tia X được chuẩn hóa; đỉnh này là đặc trưng của canxi cacbonat, chỉ ra rằng thành phần khoáng chất đã được loại bỏ triệt để trong quá trình xử lý khử khoáng. Độ kết tinh của mẫu chitin tạo sợi siêu âm (CrI = 60-66) thay đổi rất ít với bột vỏ tinh khiết hóa học (CrI = 65.1) vì các sợi nano chitin tinh thể (mức phân cấp thứ hai) về cơ bản không thay đổi bởi sự siêu âm. Cấu hình nhiễu xạ của các sợi nano chitin rất giống với bột vỏ tinh khiết, cho thấy cấu trúc tinh thể của các sợi nano thu được không thay đổi đáng kể sau 30 phút siêu âm. Do đó, cấu trúc phân tử ban đầu và cấu trúc tinh thể chitin được duy trì đáng kể ngay cả sau khi loại bỏ ma trận và các phương pháp điều trị siêu âm. Hơn nữa, kết quả cho thấy rằng thời gian thêm ứng dụng siêu âm làm tăng mức độ kết tinh của sợi chitin (hình 5b). CrI của mẫu thậm chí cao hơn vật liệu ban đầu sau 30 phút siêu âm. Hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy ở cellulose vi khuẩn được xử lý bằng siêu âm (Tischer et al., 2010).
Có thể kết luận rằng năng lượng siêu âm có thể truyền qua xâm thực và thúc đẩy sự tái hợp các chuỗi phân tử. Thang năng lượng của các quá trình xâm thực nằm trong thang năng lượng liên kết hydro và xảy ra chủ yếu ở các vùng vô định hình, nơi nước có thể xâm nhập hiệu quả hơn. Trong khi quá trình phân tách sợi xảy ra dọc theo hướng dọc trục, năng lượng cũng hợp nhất bề mặt của các dải lân cận để chuyển đổi vùng vô định hình (chuỗi ít trật tự) thành vùng kết tinh (chuỗi có trật tự cao) (Shchukin, Skorb, Belova, & Möhwald, 2011).
Hình 6. (a) Hình ảnh của màng chitin lớn trong suốt nguyên chất, được tạo bởi các sợi nano chitin với đường kính đồng đều, hình nhỏ cho thấy phim trong cốc thủy tinh. (b) Phổ truyền qua UV UV vis của màng chitin khô. Hình nhỏ là sự xuất hiện của màng chitin khô trong suốt quang học.
3.3 Sản xuất màng trong suôt vi sợi chitin nguyên chất và bọt xốp
Dịch huyền phù chitin trong suốt được giữ trong ống lọc trong 48 giờ để có được một màng siêu mỏng trong suốt ở bên trong thành của ống lọc. Phim chitin nguyên chất này có thể được gỡ ra ằng cách ngâm trong nước, và phim vẫn duy trì độ trong suôt cao trong nước (Hình 6a), cho thấy phim được có thể áp dụng cho các nhiệm vụ dưới nước. Hình 6b cho thấy sự xuất hiện của màng chitin trong suốt về mặt quang học sau khi sấy khô và cắt. Phổ truyền qua của màng chitin nguyên chất trong suốt được điều chế từ chitin tạo sợi nano được thể hiện trong hình 6b. Phim được làm hoàn toàn bằng sợi có độ trong suốt cao trong phạm vi ánh sáng khả kiến (300, 800nm), cho thấy mỗi sợi nano chitin mỏng hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Đáng chú ý, độ truyền qua của màng thu được là 90,2% ở bước sóng 600nm, là trung tâm của phổ ánh sáng khả kiến. Những kết quả này chỉ ra rằng các sợi nano chitin thu được từ vỏ tôm có thể tạo sợi hoàn toàn bằng cách xử lý siêu âm trong điều kiện trung tính.
Các hydrogel chitin nanofibril ngưng tụ thu được và đổi dung môi bằng t-BuOH. Sau khi đông khô hydrogel và organogel, bọt chitin có độ dẻo o và linh hoạt cao được tạo ra. Hình 7 cho thấy các bọt có bề ngoài màu trắng và mật độ khối 5 × 10-3 g cm − 3 và có thể uốn cong nhiều lần mà không phá hủy tính toàn vẹn cấu trúc của chúng. Do đó, các sợi nano tách rời có thể dễ dàng được lưu trữ và vận chuyển.
Hình 7. Hình ảnh của các bọt mềm được tạo thành bởi các sợi nano chitin vướng víu dài. (a) Bọt hình tròn đông khô từ hydrogel và (b) bọt vuông đông khô từ organogel sau khi thay bằng dung môi t-BuOH.
Những phát hiện này cũng cho thấy rằng các bọt sợi nano linh hoạt cao và tỷ trọng thấp có chứa sợi nano chitin đã được điều chế thành công. Các bọt này bao gồm các sợi chitin siêu dài dự kiến sẽ được sử dụng trong các lĩnh vực cơ bản và ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như các mẫu sợi nano cho các ống vô cơ rỗng, khung đỡ kỹ thuật mô, phương tiện lọc, tinh sạch nước và vật liệu bao bì.
4. Kết luận
Tóm lại, sợi nano -chitin có chiều rộng đồng đều là khoảng 20nm đã được chế tạo thành công từ vỏ tôm khô bằng phương pháp siêu âm cường độ cao (300W, 60KHz, 30 phút) sau khi tinh chế hóa học (bao gồm khử màu, khử protein và khử khoáng). Quá trình siêu âm, được sử dụng như một tạo sợi nano vật lý, có thể tháo rời các sợi vi mô thành các sợi nano trong nước thông qua xâm thực. Các sóng xung kích gây ra bởi sự nổ của bọt có thể phá vỡ liên kết hydro chibrin tương đối yếu và lực Van der Waals để dần dần hình thành các sợi nano. Cũng có thể thấy rằng xử lý siêu âm xung có xu hướng cải thiện CrI của chitin. Trong dự án này, chúng tôi cũng áp dụng thành công phương pháp cá thể hóa vật lý này để tách rời các sợi nano khỏi PG-chitin thương mại. Ngoài ra, công trình hiện tại cũng sản xuất được màng trong suốt cao và bọt mềm bằng sợi nano chitin. Do đó, các sợi nano phát triển với chiều rộng đồng đều và tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao có thể được chuyển đổi thành các vật liệu chức năng " xanh " mới lạ. Là một phương pháp đơn giản, phương pháp tạo sợi nano bằng siêu âm sẽ được mở rộng để sản xuất sợi nano siêu dài từ các vật liệu polysacarit tự nhiên khác. Đây là một cơ hội mới để chế tạo vật liệu nano mới từ vật liệu sinh khối, điều này rất quan trọng để sử dụng đầy đủ tài nguyên sinh khối dồi dào.
Các tin bài cùng chuyên mục
- TLT thông báo tuyển dụng nhân viên hành chính tổng hợp
- Hệ thống phân tán GRAPHENE bằng siêu âm hiệu năng cao
- Hệ thống siêu âm đồng hóa SONOSHEMISTRY 20 Khz 3000W
- Trạm phản ứng hóa học Microwave đa chức năng Uwave-2000
- Trạm tổng hợp bằng microway MAS-II
- Thiết bị phân tích Kjeldahl Protein/Nitrogen tự động K1160
- Máy Phân Tích Kết Cấu TX-700
- TLT thông báo về việc nghỉ Lễ Giỗ Tổ Hùng Vương năm 2020
- Phân tích độ ẩm bằng sấy
- TLT Thông báo nghỉ lễ Quốc Khánh 02/09/2019
Công ty TNHH Thiết bị kỹ thuật TLT
Hotline: 0913027730 - 0904147995
Email: letruc@tltech.vn và sale@tlt.net.vn