Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Tetracycline và Ciprofloxacin Trên Bề Mặt Graphene Oxide

Nghiên cứu khả năng hấp thụ tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt graphene oxide bằng phương pháp hóa học tính toán, mang lại hiểu biết mới.

• Tác giả: Nguyễn Trần Gia Bảo
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tiến Trung
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lí thuyết và Hóa lí
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Hấp Phụ Tetracycline và Ciprofloxacin Trên Bề Mặt Graphene Oxide
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• Lý do chọn đề tài
• Tổng quan tài liệu và tình hình nghiên cứu
• Mục đích nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Phương pháp nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• Cấu trúc của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ
• 1.1. Phương trình Schrödinger
• 1.2. Sự gần đúng Born-Oppenheimer
• 1.3. Nguyên lý loại trừ Pauli hay nguyên lý phản đối xứng
• 1.4. Hàm sóng của hệ nhiều electron
• 1.5. Cấu hình electron và trạng thái hệ nhiều electron
• 1.6. Bộ hàm cơ sở
• 1.6.1. Một số khái niệm về bộ hàm cơ sở
• 1.6.2. Phân loại bộ hàm cơ sở
• 1.6.3. Sóng phẳng và giả thế trong nghiên cứu hệ vật liệu tuần hoàn
• 1.7. Các phương pháp gần đúng hoá học lượng tử
• 1.7.1. Phương pháp bán kinh nghiệm
• 1.7.2. Phương pháp Hartree–Fock và phương trình Roothaan
• 1.7.3. Phương pháp nhiễu loạn Møller-Plesset (MPn)
• 1.7.4. Phương pháp chùm tương tác (Coupled-Cluster-CC)
• 1.7.5. Phương pháp tương tác cấu hình
• 1.7.6. Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory-DFT)
• 1.8. Orbital phân tử khu trú (LMO), orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử thích hợp (NAO) và orbital liên kết thích hợp (NBO)
• 1.8.1. Orbital phân tử khu trú (LMO)
• 1.8.2. Orbital thích hợp (NO), orbital nguyên tử thích hợp (NAO) và orbital liên kết thích hợp (NBO)
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HẤP PHỤ, TƯƠNG TÁC YẾU VÀ HỆ CHẤT NGHIÊN CỨU
• 2.1. Lý thuyết hấp phụ
• 2.1.1. Một số khái niệm
• 2.1.2. Đẳng nhiệt hấp phụ
• 2.2. Liên kết hydrogen
• 2.3. Tương tác van der Waals
• 2.4. Tương tác acid-base Lewis
• 2.5. Tương tác tĩnh điện
• 2.6. Hệ chất nghiên cứu
• 2.6.1. Giới thiệu chung hệ chất nghiên cứu
• 2.6.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả tối ưu các phân tử, ái lực proton (PA), năng lượng tách proton (DPE) của các liên kết, phân tích MEP đối với các kháng sinh TC, CIP
• 3.1.1. Kết quả tối ưu hình học các kháng sinh TC, CIP
• 3.1.2. Phân tích MEP đối với các phân tử kháng sinh
• 3.1.3. Năng lượng tách proton (DPE) của các liên kết và ái lực proton (PA) tại các vị trí O-H, N-H, C-H của các phân tử kháng sinh
• 3.2. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác của kháng sinh TC, CIP với bề mặt rGO
• 3.2.1. Kết quả tối ưu hình học của hai bề mặt rGO được xây dựng
• 3.2.2. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác giữa kháng sinh TC, CIP với bề mặt rGO
• 3.2.3. Năng lượng hấp phụ và năng lượng tương tác
• 3.2.4. Vai trò và bản chất của tương tác bề mặt
• 3.3. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác của kháng sinh TC, CIP với bề mặt GO
• 3.3.1. Kết quả tối ưu hình học của hai bề mặt GO được xây dựng
• 3.3.2. Cấu trúc hình học của hệ phức tương tác của kháng sinh TC, CIP với bề mặt GO
• 3.3.3. Năng lượng hấp phụ và năng lượng tương tác
• 3.3.4. Vai trò và bản chất của tương tác bề mặt
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin trên graphene oxide

Nghiên cứu khả năng hấp phụ của tetracycline (TC) và ciprofloxacin (CIP) trên bề mặt graphene oxide (GO) đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Graphene oxide là một vật liệu nano với diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác tốt với các phân tử hữu cơ. Việc hiểu rõ khả năng hấp phụ của TC và CIP trên GO không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả.

1.1. Tại sao graphene oxide là vật liệu hấp phụ tiềm năng

Graphene oxide (GO) có cấu trúc độc đáo với nhiều nhóm chức năng như -OH và -COOH, giúp tăng cường khả năng hấp phụ. Các nghiên cứu cho thấy GO có thể hấp phụ mạnh mẽ các phân tử kháng sinh nhờ vào các tương tác π-π và lực tĩnh điện.

1.2. Tình hình nghiên cứu hiện tại về hấp phụ kháng sinh

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng TC và CIP có nồng độ cao trong môi trường nước. Việc sử dụng GO để hấp phụ các kháng sinh này đang được xem xét như một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm.

II. Vấn đề ô nhiễm từ tetracycline và ciprofloxacin trong môi trường

Ô nhiễm từ các kháng sinh như TC và CIP đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường nước. Dư lượng của chúng có thể gây hại cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả là rất cần thiết.

2.1. Tác động của tetracycline và ciprofloxacin đến môi trường

TC và CIP có thể gây ra sự phát triển kháng thuốc ở vi sinh vật, ảnh hưởng đến sự cân bằng sinh thái. Nghiên cứu cho thấy nồng độ cao của chúng trong nước thải có thể dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học.

2.2. Nhu cầu cấp thiết về xử lý ô nhiễm kháng sinh

Việc xử lý ô nhiễm từ TC và CIP là một thách thức lớn. Các phương pháp truyền thống không đủ hiệu quả, do đó, cần nghiên cứu các vật liệu hấp phụ mới như GO để giải quyết vấn đề này.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ trên bề mặt graphene oxide

Nghiên cứu khả năng hấp phụ của TC và CIP trên bề mặt GO được thực hiện thông qua các phương pháp hóa học tính toán. Các mô hình tính toán giúp xác định cấu trúc tối ưu và năng lượng hấp phụ của các phức hợp.

3.1. Các phương pháp tính toán hóa học lượng tử

Sử dụng các phần mềm như Gaussian 09 và VASP, nghiên cứu áp dụng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) để tính toán năng lượng hấp phụ và cấu trúc tối ưu của các phức hợp.

3.2. Mô hình hóa bề mặt graphene oxide

Mô hình hóa bề mặt GO được thực hiện để đánh giá khả năng hấp phụ của TC và CIP. Các nhóm chức năng trên bề mặt GO đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác với các phân tử kháng sinh.

IV. Kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ tetracycline và ciprofloxacin

Kết quả nghiên cứu cho thấy GO có khả năng hấp phụ tốt đối với cả TC và CIP. Năng lượng hấp phụ được tính toán cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại kháng sinh này.

4.1. Năng lượng hấp phụ của tetracycline trên graphene oxide

Năng lượng hấp phụ của TC trên GO cho thấy giá trị cao, cho thấy khả năng tương tác mạnh mẽ giữa TC và bề mặt GO. Điều này mở ra khả năng sử dụng GO trong việc xử lý ô nhiễm từ TC.

4.2. Năng lượng hấp phụ của ciprofloxacin trên graphene oxide

CIP cũng cho thấy khả năng hấp phụ tốt trên GO, với năng lượng hấp phụ tương đối cao. Sự khác biệt trong năng lượng hấp phụ giữa TC và CIP có thể liên quan đến cấu trúc phân tử của chúng.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu khả năng hấp phụ của TC và CIP trên bề mặt GO đã chỉ ra tiềm năng lớn của vật liệu này trong việc xử lý ô nhiễm kháng sinh. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc bề mặt và đánh giá khả năng hấp phụ trong điều kiện thực tế.

5.1. Tầm quan trọng của graphene oxide trong xử lý ô nhiễm

GO không chỉ có khả năng hấp phụ tốt mà còn có thể được cải tiến để tăng cường hiệu quả xử lý ô nhiễm. Việc nghiên cứu sâu hơn về GO sẽ mở ra nhiều cơ hội mới.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực hấp phụ

Các nghiên cứu tiếp theo nên xem xét các vật liệu hấp phụ khác và so sánh hiệu quả của chúng với GO. Điều này sẽ giúp tìm ra giải pháp tối ưu cho việc xử lý ô nhiễm kháng sinh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước do dư lượng dược phẩm kháng sinh đang là thách thức sinh thái nghiêm trọng trên phạm vi toàn cầu. Trong thực tế, khoảng 60% đến 85% lượng kháng sinh sử dụng trong y tế và chăn nuôi không được cơ thể sinh vật chuyển hóa hoàn toàn mà bị bài tiết nguyên dạng ra môi trường đất và nguồn nước. Tại các phụ lưu sông lớn, tỷ lệ kháng sinh tetracycline chiếm tới 74,5% tổng lượng chất ô nhiễm hữu cơ, cao hơn gấp 3 lần so với tỷ lệ ghi nhận trong nước thải sinh hoạt thông thường. Tại Việt Nam, khảo sát thực địa ở các vùng nuôi trồng thủy sản trọng điểm cho thấy nồng độ tetracycline trong nước thải đạt mức 18 ng/L và ciprofloxacin lên tới 162 ppb, trong khi nồng độ ciprofloxacin chưa qua xử lý tại nhiều con sông trên thế giới dao động từ 300 ng/L đến 890 ng/L.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý của tác giả Nguyễn Trần Gia Bảo, thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Hóa học tính toán và mô phỏng thuộc Trường Đại học Quy Nhơn vào năm 2022, đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Làm rõ bản chất tương tác và cơ chế hấp phụ của hai phân tử kháng sinh phổ biến là tetracycline (TC) và ciprofloxacin (CIP) trên bề mặt vật liệu graphene oxide (GO) và graphene oxide dạng khử (rGO) ở cấp độ lượng tử.

Mục tiêu cụ thể của công trình bao gồm việc xác định cấu trúc hình học tối ưu của hệ phức hấp phụ, tính toán định lượng năng lượng hấp phụ, đồng thời phân tích chi tiết bản chất các tương tác yếu (liên kết hydrogen, tương tác xếp chồng π-π, lực hút tĩnh điện) thông qua cả mô hình cụm phân tử không tuần hoàn và mô hình tinh thể tuần hoàn. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng dữ liệu khoa học chính xác, cho phép định hướng tối ưu hóa vật liệu hấp phụ gốc carbon với mục tiêu nâng cao hiệu suất xử lý kháng sinh lên trên 90% và giảm thiểu 50% đến 70% chi phí thử nghiệm thực nghiệm tốn kém.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng bộ các nền tảng lý thuyết hóa học lượng tử hiện đại nhằm phân tích toàn diện cấu trúc điện tử và các hiện tượng bề mặt:

• Thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT): Dựa trên hệ định lý Hohenberg-Kohn và phương trình tự hợp Kohn-Sham, DFT thay thế việc giải hàm sóng nhiều hạt phức tạp bằng hàm mật độ electron $\rho(r)$. Phiếm hàm trao đổi - tương quan PBE/PBEPBE được lựa chọn nhờ khả năng mô tả chính xác sự phân bố mật độ điện tích và năng lượng liên kết trong các hệ vật liệu phân tử kích thước lớn.
• Thuyết nguyên tử trong phân tử (Quantum Theory of Atoms in Molecules - QTAIM/AIM): Phương pháp của Richard Bader phân tích topo mật độ electron dựa trên ma trận Hessian, xác định chính xác các điểm tới hạn liên kết (Bond Critical Point - BCP), điểm tới hạn vòng (Ring Critical Point - RCP) và điểm tới hạn hốc (Cage Critical Point - CCP). Các đại lượng vật lý tại BCP như mật độ electron $\rho(r)$, toán tử Laplacian $\nabla^2\rho(r)$, mật độ động năng khu trú $G(r)$, mật độ thế năng $V(r)$ và năng lượng riêng mỗi liên kết hydrogen $E_{HB} = 0,5 V(r)$ được dùng để phân loại bản chất liên kết.
• Thuyết orbital liên kết tự nhiên (Natural Bond Orbital - NBO): Đánh giá sự chuyển dịch mật độ electron (Electron Density Transfer - EDT) từ các orbital bị chiếm (donor) sang orbital ảo không bị chiếm (acceptor) và tính toán năng lượng ổn định hóa siêu liên hợp bậc hai $E^{(2)}$ giữa phân tử kháng sinh và chất hấp phụ.
• Mô hình hóa bề mặt và đẳng nhiệt hấp phụ: Kết hợp lý thuyết đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir để mô tả sự tương tác đơn lớp, phân tích bản đồ thế tĩnh điện phân tử (MEP), enthalpy tách proton (DPE) và ái lực proton (PA) nhằm nhận diện các vị trí phản ứng ưu tiên.

Phương pháp nghiên cứu

Mẫu nghiên cứu gồm 12 cấu hình tương tác không gian đại diện giữa 2 phân tử kháng sinh (tetracycline và ciprofloxacin) với 4 dạng bề mặt vật liệu: graphene oxide không tuần hoàn (cụm cluster cắt tỉa), graphene oxide dạng khử không tuần hoàn, graphene oxide tuần hoàn hai chiều (2D periodic slab) và graphene oxide dạng khử tuần hoàn.

Phương pháp chọn mẫu cấu hình được tiến hành dựa trên việc quét các tâm cho - nhận liên kết hydro tiềm năng (các nhóm thế -OH, -COOH, -O-, -NH, =O) kết hợp định hướng song song của vòng thơm nhằm tối đa hóa tương tác phân tán $\pi-\pi$.

Quy trình tính toán và phân tích dữ liệu lượng tử được thiết lập theo các tiêu chuẩn:

• Hệ không tuần hoàn (Cluster models): Thực hiện tối ưu hóa cấu trúc hình học hoàn toàn và tính toán dao động điều hòa bằng phần mềm Gaussian 09 ở mức lý thuyết PBEPBE kết hợp bộ cơ sở chuẩn 6-31G(d,p) và LanL2DZ. Phương pháp hiệu chỉnh sai số chồng chất bộ cơ sở (BSSE) theo kỹ thuật Counterpoise được áp dụng để đảm bảo độ chính xác của năng lượng tương tác.
• Hệ tuần hoàn (Periodic models): Sử dụng phần mềm VASP dựa trên phương pháp sóng phẳng (Plane-Wave DFT) với gần đúng thế giả sóng phụ gia phẳng (PAW), mức năng lượng cắt sóng phẳng $E_{cutoff}$ thiết lập từ 400 eV đến 500 eV, lưới điểm k-points được hội tụ chặt chẽ để mô tả cấu trúc dải và năng lượng bề mặt vô hạn.
• Phân tích topo và hiển thị cấu trúc: Sử dụng các gói phần mềm chuyên dụng AIM2000, NBO 5.G, VESTA và GaussView để trực quan hóa mật độ điện tích và phân loại tương tác liên phân tử trong toàn bộ giai đoạn nghiên cứu từ năm 2020 đến 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng lượng tử đã cung cấp bức tranh chi tiết về cấu trúc hình học, năng lượng và bản chất tương tác của các hệ hấp phụ:

• Độ bền năng lượng hấp phụ vượt trội trên GO: Năng lượng hấp phụ ($E_a$) của cả tetracycline và ciprofloxacin trên bề mặt GO phân cực mạnh hơn rõ rệt so với bề mặt rGO. Năng lượng tương tác ($E_I$) của phức ciprofloxacin - GO trong mô hình không tuần hoàn đạt từ -28,4 kcal/mol đến -45,8 kcal/mol, cao hơn khoảng 35% đến 50% so với phức tương ứng trên rGO (chỉ dao động từ -18,2 kcal/mol đến -29,6 kcal/mol).
• Khoảng cách và hình học liên kết: Các liên kết hydrogen mạnh dạng O-H...O và N-H...O hình thành giữa các nhóm chức carboxyl/hydroxyl của GO với nguyên tử oxy/nitơ của kháng sinh có khoảng cách liên kết ngắn, chỉ từ 1,65 Å đến 1,98 Å, với góc liên kết dao động từ 152° đến 176°. Trong khi đó, tương tác $\pi-\pi$ giữa vòng benzene của kháng sinh và mạng lưới graphene duy trì khoảng cách ổn định trong dải 3,18 Å đến 3,45 Å.
• Đặc trưng topo phân tích AIM: Tại các điểm tới hạn liên kết BCP của liên kết hydrogen liên phân tử, mật độ electron $\rho(r)$ đạt giá trị từ 0,018 đến 0,042 au, giá trị Laplacian $\nabla^2\rho(r) > 0$ và tổng mật độ năng lượng $H(r) < 0$, khẳng định các liên kết hydrogen này thuộc loại trung bình đến mạnh mang một phần bản chất cộng hóa trị cục bộ. Năng lượng mỗi liên kết hydrogen $E_{HB}$ đóng góp từ 3,2 kcal/mol đến 8,6 kcal/mol vào tổng năng lượng liên kết của hệ.
• Dịch chuyển mật độ điện tích NBO: Phân tích NBO chỉ ra sự chuyển dịch điện tích tịnh EDT từ phân tử kháng sinh sang bề mặt carbon với giá trị từ 0,035 e đến 0,118 e. Năng lượng tương tác siêu liên hợp $E^{(2)}$ lớn nhất xuất phát từ sự xen phủ giữa cặp electron độc thân LP(O/N) của kháng sinh với orbital phản liên kết BD*(C-C) hoặc BD*(O-H) của chất hấp phụ, đạt mức năng lượng lên đến 14,2 kcal/mol.

Thảo luận kết quả

Khả năng giữ chặt các phân tử kháng sinh của vật liệu graphene oxide bắt nguồn từ hiệu ứng cộng hưởng đồng thời giữa hai cơ chế: tương tác tĩnh điện/liên kết hydrogen định hướng từ các nhóm chức chứa oxy và tương tác phân tán $\pi-\pi$ không định hướng trên khung carbon $sp^2$.

Trên bề mặt rGO, việc loại bỏ phần lớn các nhóm chức oxy làm suy giảm khả năng tạo mạng lưới liên kết hydro đa điểm, khiến quá trình hấp phụ phụ thuộc chủ yếu vào tương tác xếp chồng $\pi-\pi$. Ngược lại, bề mặt GO với mật độ cao các nhóm hydroxyl (-OH) và epoxide (-O-) đóng vai trò là tâm nhận và cho proton linh động, tương thích hoàn hảo với các vị trí có ái lực proton cao trên phân tử ciprofloxacin và tetracycline.

Kết quả tính toán lượng tử này tương thích cao với các công bố thực nghiệm quốc tế. Dung lượng hấp phụ ciprofloxacin trên GO từng được ghi nhận trong thực nghiệm đạt tới 379 mg/g, và tetracycline luôn thể hiện ái lực bề mặt cao vượt trội so với than hoạt tính thông thường. Đáng chú ý, mô hình tính toán tuần hoàn hai chiều cho thấy hiệu ứng định xứ điện tích trên bề mặt vô hạn làm tăng độ ổn định của hệ phức thêm khoảng 12% đến 18% so với mô hình cụm phân tử hữu hạn, khắc phục triệt để các hạn chế về hiệu ứng biên trong các nghiên cứu trước đây.

Các tập dữ liệu năng lượng hấp phụ, khoảng cách liên kết và thông số topo AIM có thể được chuẩn hóa và trình bày trực quan thông qua biểu đồ phân bố năng lượng tương tác đa cấu hình cùng ma trận tương quan 2D giữa độ dài liên kết và mật độ electron tại điểm tới hạn BCP.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các bằng chứng tính toán lượng tử ở cấp độ phân tử, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật nhằm ứng dụng thực tiễn vật liệu graphene oxide trong xử lý môi trường:

• Tối ưu hóa tỷ lệ chức hóa oxy trên bề mặt vật liệu: Các cơ sở sản xuất và viện nghiên cứu vật liệu cần kiểm soát quy trình tổng hợp Hummers cải tiến để duy trì tỷ số nguyên tử Carbon/Oxy (C/O) trên GO ở mức tối ưu từ 2,0 đến 2,4. Tỷ lệ này đảm bảo cân bằng lý tưởng giữa mật độ nhóm chức oxy hóa để tạo liên kết hydrogen (đóng góp trên 60% năng lượng hấp phụ) và vùng mạng lưới $sp^2$ chưa biến tính để duy trì tương tác $\pi-\pi$.
• Chế tạo module cột lọc hấp phụ chuyên dụng cho nước thải thủy sản: Các doanh nghiệp công nghệ môi trường phối hợp cùng các trung tâm khuyến ngư triển khai thiết bị lọc sinh học tích hợp màng lọc GO/chitosan tại các vùng nuôi tôm thâm canh trong giai đoạn 2024 - 2026. Mục tiêu đạt hiệu suất thu gom và loại bỏ triệt để trên 95% dư lượng tetracycline và ciprofloxacin ở nồng độ từ 10 ppb đến 200 ppb trước khi xả thải ra kênh rạch.
• Mở rộng mô hình tính toán cho điều kiện dung môi thực: Nhóm nghiên cứu lượng tử cần tiếp tục tích hợp mô hình solvat hóa liên tục (PCM/SMD) kết hợp mô phỏng động lực học phân tử lượng tử (AIMD) trong dải pH từ 4,0 đến 9,0 trong vòng 12 đến 18 tháng tới, nhằm lượng hóa chính xác ảnh hưởng của các ion cạnh tranh ($Na^+$, $Ca^{2+}$, $Cl^-$) và trạng thái ion hóa của kháng sinh trong môi trường nước tự nhiên.
• Phát triển quy trình giải hấp phụ và tái sinh vật liệu xanh: Các phòng thí nghiệm chuyên ngành triển khai nghiên cứu quy trình rửa giải kháng sinh khỏi bề mặt GO bằng dung dịch cồn sinh học phân cực nhẹ kết hợp chiếu xạ quang xúc tác năng lượng mặt trời. Mục tiêu hoàn thiện công nghệ tái sử dụng màng hấp phụ đạt trên 85% dung lượng ban đầu sau ít nhất 5 chu kỳ xử lý liên tục vào năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn mang tính liên ngành sâu sắc giữa Hóa lý tính toán, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Môi trường, là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa lý thuyết, Hóa lý và Hóa môi trường: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn mực trong việc xây dựng mô hình phân tử, quy trình kết hợp phần mềm Gaussian 09 và VASP, cũng như kỹ thuật phân tích chuyên sâu liên kết hóa học bằng lý thuyết AIM và NBO.
• Kỹ sư môi trường và chuyên gia công nghệ xử lý nước thải: Ứng dụng các thông số nhiệt động học và năng lượng tương tác để thiết kế, vận hành hệ thống lọc hấp phụ xử lý triệt để dư lượng kháng sinh khó phân hủy sinh học trong nước thải bệnh viện và cơ sở chăn nuôi.
• Các nhà khoa học và chuyên gia phát triển vật liệu nano carbon: Tham khảo dữ liệu về cơ chế biến dạng cấu trúc phân tử và bề mặt ($E_{D-mol}$, $E_{D-sur}$) để định hướng biến tính bề mặt graphene oxide bằng các nhóm chức chuyên biệt, nâng cao tính chọn lọc đối với các hợp chất hữu cơ độc hại.
• Cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu chính sách tài nguyên môi trường: Sử dụng dữ liệu khoa học về độ bền và cơ chế phát tán kháng sinh để xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng xả thải hóa chất y tế trong nông nghiệp và thủy sản.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc kết hợp cả mô hình tuần hoàn và không tuần hoàn lại quan trọng trong nghiên cứu này?

Mô hình cụm phân tử không tuần hoàn cho phép tính toán nhanh và phân tích chính xác từng quỹ đạo orbital cục bộ (NBO) cũng như hình học topo (AIM). Tuy nhiên, chỉ có mô hình tuần hoàn 2D mới mô tả đầy đủ tính chất dải năng lượng và hiệu ứng phân bố điện tích của mạng lưới carbon vô hạn trong thực tế, giúp kết quả năng lượng hấp phụ đạt độ chính xác cao hơn từ 12% đến 18%.

Nhóm chức nào trên bề mặt graphene oxide đóng vai trò chủ đạo trong việc liên kết kháng sinh?

Phân tích MEP và NBO chỉ ra rằng các nhóm hydroxyl (-OH) và carboxyl (-COOH) đóng vai trò then chốt khi tạo liên kết hydrogen mạnh với nguyên tử nitơ và oxy trên phân tử ciprofloxacin và tetracycline. Các liên kết này có khoảng cách ngắn từ 1,65 Å đến 1,98 Å và chiếm hơn một nửa tổng năng lượng ổn định của hệ phức.

Vật liệu graphene oxide (GO) hay dạng khử (rGO) cho hiệu quả hấp phụ kháng sinh tốt hơn?

Bề mặt GO thể hiện khả năng hấp phụ vượt trội hơn rGO đối với cả hai loại kháng sinh khảo sát. Năng lượng tương tác của GO cao hơn rGO từ 35% đến 50% nhờ khả năng hình thành đồng thời mạng lưới liên kết hydrogen đa điểm cùng với lực hút tĩnh điện, trong khi rGO chủ yếu chỉ tương tác qua lực phân tán $\pi-\pi$ yếu hơn.

Phân tích topo AIM cung cấp những thông tin then chốt nào về cơ chế tương tác?

Thuyết AIM xác định chính xác các điểm tới hạn liên kết BCP giữa phân tử kháng sinh và bề mặt chất hấp phụ. Giá trị mật độ electron $\rho(r)$ dao động 0,018 - 0,042 au cùng Laplacian $\nabla^2\rho(r) > 0$ và mật độ năng lượng $H(r) < 0$ tại BCP cung cấp bằng chứng định lượng khẳng định đây là tương tác liên kết hydrogen có độ bền cao mang một phần tính chất cộng hóa trị.

Kết quả tính toán lượng tử này có thể chuyển giao như thế nào vào quy trình xử lý nước thực tế?

Dữ liệu tính toán cung cấp thông số cấu trúc và nhiệt động chính xác giúp các kỹ sư môi trường bỏ qua giai đoạn thử nghiệm mò mẫm. Dựa trên năng lượng hấp phụ và tỷ lệ tâm hoạt tính, quy trình có thể xác định ngay độ dày tối ưu của lớp vật liệu lọc, thời gian lưu và lượng chất hấp phụ cần thiết để loại bỏ trên 90% kháng sinh trong nước thải.

Kết luận

• Xác định thành công 12 cấu hình không gian bền vững của hệ phức hấp phụ giữa tetracycline, ciprofloxacin trên các bề mặt GO và rGO ở cả trạng thái cụm phân tử và mạng tinh thể tuần hoàn.
• Chứng minh bề mặt GO có ái lực và năng lượng hấp phụ vượt trội hơn rGO từ 35% đến 50%, khẳng định vai trò quyết định của mạng lưới liên kết hydrogen và tương tác tĩnh điện do các nhóm chức chứa oxy mang lại.
• Cung cấp hệ thống dữ liệu topo lượng tử hoàn chỉnh (AIM và NBO) với mật độ electron tại BCP đạt tới 0,042 au và năng lượng siêu liên hợp đạt 14,2 kcal/mol, giải thích triệt để cơ chế giữ phân tử ở cấp độ hạ nguyên tử.
• Tạo cơ sở khoa học vững chắc để phát triển các module màng lọc nano gốc graphene xử lý dứt điểm dư lượng kháng sinh trong ngành nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam giai đoạn 2024 - 2026.
• Mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc kết hợp các công cụ mô phỏng lượng tử tiên tiến để định hướng, tối ưu hóa công nghệ chế tạo vật liệu xử lý môi trường trong tương lai.

Quý độc giả, nghiên cứu sinh và các chuyên gia công nghệ môi trường quan tâm có thể khai thác chi tiết các bảng số liệu tọa độ, giản đồ mật độ điện tích và ma trận năng lượng trong toàn văn luận văn thạc sĩ Hóa học của tác giả Nguyễn Trần Gia Bảo tại Thư viện Trường Đại học Quy Nhơn để phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.