Quang tổng hợp sử dụng chấm lượng tử carbon (KLTN k41)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ===o0o=== LÊ QUANG TRUNG QUANG TỔNG HỢP SỬ DỤNG CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành học: Sư phạm Hóa học Hà Nội, 5/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ===o0o=== LÊ QUANG TRUNG QUANG TỔNG HỢP NANO BẠC SỬ DỤNG CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành học: Sư phạm Hóa học Người hướng dẫn khoa học ThS Hoàng Quang Bắc Hà Nội, 5/2019 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn tới hai thầy giáo hướng dẫn tơi giảng viên TS Mai Xuân Dũng giảng viên ThS Hoàng Quang Bắc giúp đỡ hướng dẫn tận tình để tơi hồn thành khóa luận Ngồi ra, tơi cảm ơn gia đình người bạn cổ vũ động viên thời gian qua Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô bạn (Ngọc) giúp đỡ q trình hồn thiện khóa luận Hà Nội, tháng năm 2019 Sinh viên Lê Quang Trung LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan với đề tài nghiên cứu khóa luận: “Quang tổng hợp sử dụng chấm lượng tử carbon” cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn Thạc sĩ Hoàng Quang Bắc Tiến sĩ Mai Xuân Dũng Các số liệu đề tài phần kết trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Tất liệu, tài liệu tham khảo tơi trích dẫn cụ thể tỉ mỉ phần tài liệu tham khảo Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường cam đoan Hà Nội, tháng năm 2019 Sinh viên Lê Quang Trung DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Silver nanoparticles : AgNPs Carbon quantum dots : CQDs Citric acid : CA Ethylenediamine : EDA Quantum dots : QDs X-ray Diffraction : XRD Transmission Electron microscopy TEM Ultraviolet–visible spectroscopy : UV-vis : MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Chương TỔNG QUAN 1.1 Hạt nano bạc 1.1.1 Vật liệu nano 1.1.2 Hạt Nano Ag 1.2 Chấm lượng tử carbon 1.2.1 Cấu trúc tính chất chấm lượng tử 1.2.3 Chấm lượng tử Carbon 11 1.2.4 Các phương pháp tổng hợp 13 1.3 Sự kết hợp hạt nano Ag CQDs 14 Chương THỰC NGHIỆM 16 2.1 Chấm lượng tử carbon 16 2.1.1 Hóa chất dụng cụ 16 2.1.2 Thực nghiệm 16 2.2 Tổng hợp hạt nano Ag sử dụng CQDs 17 2.2.1 Hóa chất dụng cụ 17 2.2.2 Thực nghiệm 17 2.3 Các phương pháp nghiên cứu hạt nano Ag 20 2.3.1 Phương pháp phổ hấp thụ UV-vis 20 2.3.2 Phương pháp đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 21 2.3.3 Phương pháp chụp ảnh điện tử truyền qua (TEM) 22 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Phổ hấp thụ UV-vis 25 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X 26 3.3 Hình ảnh TEM 28 3.4 Thực nghiệm khuẩn E coli 29 3.5 Cơ chế đề nghị hình thành hạt nano Ag 31 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 1: Các phương pháp tổng hợp hạt nano sử dụng chủ yếu Bảng Các mẫu khảo sát ức chế- tiêu diệt khuẩn E coli 29 Bảng Số liệu khảo sát thực nghiệm số OD mẫu AgNPs với số OD mẫu đối chứng 2.409 30 Hình 1.1 Máy lọc nước sử dụng công nghệ nano Ag việc tiêu diệt vi khuẩn Hình 1.2 Mối quan hệ kích thước lượng vùng cấm chấm lượng tử Hình 1.3 Cơ chế phát quang QDs .8 Hình 1.4 Màu sắc phát xạ chấm lượng tử kích thước khác tia UV-365 nm .9 Hình 1.5 Ứng dụng pin mặt trời hình Tivi chấm lượng tử 10 Hình 1.6 Ứng dụng chấm lượng tử lĩnh vực y sinh đầu dò sinh học 11 Hình 1.7 Cấu trúc chấm lượng tử tổng hợp hợp từ Citric acid Ethylenediamine 12 Hình 1.8 Sự hình thành hạt Nano Ag sử dụng CQDs ánh sáng UV 14 Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp chấm lượng tử carbon 16 Hình 2.2 Dung dịch gel CQDs tổng hợp phương pháp lị vi sóng với tiền chất CA EDA dung môi glycerol 17 dụng chấm lượng tử carbon tồn trạng thái tinh thể Áp dụng cơng thức Scherrer tính tốn kích thước tinh thể ta có: Trong K số 0.9 D= Kλ βcosθ λ bước sóng sử dụng tùy thuộc vào tia sóng β độ rộng nửa peak θ góc nhiễu xạ Từ cơng thức ta tính tốn kích thước tinh thể trung bình mẫu ~13.5 nm Nhìn vào giản đồ XRD, quan sát thấy đỉnh nhiễu xạ tại góc 33.74 độ, đỉnh nhiễu xạ tinh thể Ag2O Các hạt Ag2O sinh q trình oxi hóa ion Ag+ nhóm OH- Tính tốn kích thước tinh thể cho thấy hạt Ag2O có kích thước trung bình 6.7 nm Sự xuất hạt Ag2O vật liệu nghiên cứu củng có cho chế hình thành hạt nano mà tơi đề cập đến phần chế hình hạt nano Ag 3.3 Hình ảnh TEM Hình 3.3 Hình ảnh TEM hạt nano Ag tổng hợp phương pháp quang hóa sử dụng chấm lượng tử carbon Các hạt nano bạc tổng hợp phương pháp quang hóa sử dụng chấm lượng tử carbon phân tích phương pháp chụp ảnh TEM hình 3.3 Từ ảnh ta nhận thấy hạt nano Ag có hình dạng gần giống hình cầu (một số hạt có hình bầu dục hai nhiều hạt kết tụ lại với nhau) với kích thước trung bình từ 7-25,9 nm Bên cạnh đó, cịn quan sát thấy hạt có kích thước bé khoảng nm Các hạt hạt AgO mà theo phổ nhiễu xạ tia X, tính tốn kích thước tinh thể dựa vào cơng thức Schererr lí thuyết có kích thước trung bình 4.7 nm 3.4 Thực nghiệm khuẩn E coli Hạt nano Ag sau tổng hợp khảo sát khả ức chế tiêu diệt vi khuẩn với khuẩn E coli với ba mẫu khác thành phần phần trăm khối lượng chấm lượng tử sử dụng, đồng thời để khảo sát độ lặp chúng tơi tiến hành thí nghiệm kiểm chứng ba lần Bảng Các mẫu khảo sát ức chế- tiêu diệt khuẩn E coli Tên mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 0.25 0.5 Phần % khối lượng chấm lượng tử sử dụng Hình 3.4 Khảo sát khả kháng vi khuẩn E coli hạt nano Ag tổng hợp từ phương pháp quang hóa sử dụng chấm lượng tử carbon a, Hạt nano Ag với mẫu tổng hợp sử dụng % khối lượng chấm lượng tử carbon khác b, Khảo sát khả ức chế tiêu diệt vi khuẩn ba mẫu với nồng độ 0.012 mg/ml c, Khảo sát khả ức chế tiêu diệt vi khuẩn ba mẫu với nồng độ 0.023 mg/ml d, Khảo sát khả ức chế tiêu diệt vi khuẩn ba mẫu với nồng độ 0.047 mg/ml Bảng Số liệu khảo sát thực nghiệm số OD mẫu AgNPs với số OD mẫu đối chứng 2.409 Mẫu Nồng Mẫu độ (mg/ml) Mẫu Mẫu 0.012 0.023 0.047 0.012 0.023 0.047 0.012 0.023 0.047 Chỉ OD lần 2.337 1.741 0.065 1.235 0.072 0.054 1.983 0.093 0.07 Chỉ OD lần 2.376 1.753 0.081 1.252 0.041 0.066 1.978 0.09 0.054 Chỉ OD lần 2.375 1.841 0.071 0.905 0.053 0.064 1.976 0.077 0.057 Nhận xét Dựa hình ảnh khảo sát khả kháng khuẩn hạt nano Ag quan sát hình 3.4 b, c d Vịng kháng khuẩn suốt có bán kính lớn thể chúng có khả ức chế khuẩn E Coli tốt Qua khảo sát thực tế, mẫu số cho thấy khả kháng khuẩn sau ba lần làm thực nghiệm tốt hơn, vượt trội so với hai mẫu cịn lại Chúng tơi dựa vào kết số OD kết luận hạt nano Ag mà tơi tổng hợp hồn tồn khả ức chế tiêu diệt vi khuẩn E coli Cụ thể, với mẫu mẫu tổng hợp sử dụng CQDs-1% wt nồng độ 0.047 mg/ml cho số OD thấp Với mẫu mẫu tổng hợp sử dụng CQDs-0.25% wt nồng độ 0.023 mg/ml cho số OD thấp Tương tự, với mẫu mẫu tổng hợp sử dụng CQDs-0 5% wt nồng độ 0.047 mg/ml cho số thấp Tuy nhiên so sánh khả ức chế tiêu diệt ba mẫu nói trên, nhận thấy mẫu số cho mẫu có khả ức chế tiêu diệt khuẩn E coli tốt Như vậy, thông qua việc khảo sát ba mẫu nano Ag có khác đáng kể khả ức chế khuẩn E Coli ba mẫu thể tính kháng khuẩn- tính chất đặc trưng loại hạt nano Ag 3.5 Cơ chế đề nghị hình thành hạt nano Ag Quá trình hình thành hạt nano bạc giải thích sau:  Đầu tiên ion Ag+ môi trường OH- tạo thành AgOH, chúng nhanh chóng phân hủy thành hạt Ag2O Ag+ + OH- →AgOH →Ag2O  Sau đó, ion Ag+ bao vây xung quanh hạt Ag2O tạo thành lớp điện tích dương bao bây bề mặt Ag2O Ag+ + Ag2O → Ag+ (Ag2O)  Ngay tác dụng tia UV, CQDs nhường điện tử cho Ag+(Ag2O) tạo thành liên kết CQDs Ag+(Ag2O) thơng qua nhóm chức NHx- bề mặt CQDs tạo thành CQDs-NHx-Ag(Ag2O) CQDs-NHx- + Ag+(Ag2O) → CQDs-NHxAg(Ag2O) Nhờ mà hạt nano Ag hình thành bao phủ xung quanh CQDs chúng bền so với hạt nano hình thành phương pháp khác Tuy nhiên, với cách thức tổng hợp này, hạt nano sinh có xu hướng hạt to bình thường tùy thuộc vào kích thước của hạt chấm lượng tử sử dụng Hình 3.5 Cơ chế đề xuất hình thành hạt nano Ag sử dụng CQDs môi trường bazo sử dụng ánh sang UV-365 nm Chúng tơi mơ tả chế hình thành hạt nano hình 3.5, ảnh hưởng tia UV bước song 365 nm, electron bề mặt chấm lượng tử bị kích thích lên trạng thái lượng cao hơn, electron kết hợp với ion Ag+ tạo thành hạt nano Ag Mơ hình đưa sử dụng công thức cấu tạo nhóm chức Fluorophore bề mặt CQDs để đơn giản hóa q trình thành hạt nano Để chứng minh vai trị NaOH hình thành hạt nano Ag dựa vào phổ hấp thụ UV-vis dung dịch trình hình thành hạt nano hai mơi trường có khơng có NaOH hình 3.6 Hình 3.6 Phổ hấp thụ UV-vis dung dịch trình tổng hợp hạt nano hai mơi trường có khơng có NaOH thời gian khác A, tổng hợp dung dịch nano Ag sử dụng CQDs mơi trường có NaOH B, tổng hợp dung dịch nano Ag sử dụng CQDs mơi trường khơng có NaOH Qua phổ hấp thụ UV-vis hình 3.6 thấy rõ vai trị NaOH việc hình thành hạt nano Ag Rõ ràng, mơi trường có NaOH, hạt nano Ag hình thành dễ dàng khơng có NaOH Việc chứng minh qua vùng hấp thụ đặc trưng hạt nano Ag, có NaOH vùng hấp thụ tăng mạnh tăng thời gian phản ứng CQDs Ag+ ảnh hưởng tia UV-365 nm Như vậy, phổ hấp thụ UV-vis giúp giải thích vai trị NaOH hình thành hạt nano củng cố cho tính đắn chế đề xuất hình thành hạt nano Ag Khi có NaOH, hình thành hạt nano tốt so với mơi trường khơng có NaOH KẾT LUẬN Sau tiến hành thí nghiệm phân tích phổ Uv-vis, Phổ nhiễm xạ tia X, hình ảnh TEM thực nghiệm khảo sát khả kháng khuẩn hạt nano Ag khuẩn E Coli, rút kết luận sau: Tổng hợp thành công hạt nano Ag dựa phương pháp quang hóa sử dụng chấm lượng tử carbon Chứng minh vai trò NaOH hình thành hạt nano Ag tốt so với mơi trường khơng có NaOH Nghiên cứu cấu trúc, hình dạng vật liệu dựa phổ nhiễm xạ tia X hình ảnh TEM Vật liệu tổng hợp có dạng hình cầu, kích thước tương đồng từ 7-25.9 nm Kết thử nghiệm khả kháng khuẩn nano Ag khuẩn E Coli cho thấy chúng vật liệu tiềm ứng dụng kháng khuẩn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zhu, A.et al, Carbon-dot-based dual-emission nanohybrid produces a ratiometric fluorescent sensor for in vivo imaging of cellular copper ions, Angew Chem Int Ed, 2012, 51, 7185–7189 [2] Bo Cui, Xiao-ting Feng, Feng Zhang, Ya-ling Wang, Xu-guang Liu, Yongzhen Yang, Hu-sheng Jia, The use of carbon quantum dots as fluorescent materials in white LEDs, New carbon materials, 2017, 32, 385-401 [3] Byong Yong Yu and Seung-Yeop Kwak, Carbon quantum dots embedded with mesoporous hematite nanospheres as efficient visible light-active photocatalysts, J Mater Chem., 2012, 22, 83458353 [4] Xiaoyou Xu, Robert Ray, Yunlong Gu, Harry J Ploehn, Latha Gearheart, Kyle Raker, and Walter A Scrivens, Electrophoretic Analysis and Purification of Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotube Fragments, Journal of the American Chemical Society, 2004, 126, 12736-12737 [5] Dezhi Tan, Shifeng Zhou, Yasuhiko Shimotsuma, Kiyotaka Miura, and Jianrong Qiu, Effect of UV irradiation on photoluminescence of carbon dots, Optical Society of America, 2014, 4, 213-219 [6] Ivan Sondi and Branka Salopek-Sondi, as antimicrobial agent: a case study on E coli as a model for Gram-negative bacteria, Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 275, 177–182 [7] B G Ershovt and A Henglein, Optical Spectrum and Some Chemical Properties of Colloidal Thallium in Aqueous Solution, J Phys Chem, 1993, 97, 3434-3436 [8] Full-Color Light-Emitting Carbon Dots with a Surface-State- Controlled Luminescence Mechanism, Hui Ding, Shang-Bo Yu, Ji-Shi Wei, and Huan-Ming Xiong, ACS Nano, 2016, 1, 484-491 [9] Ye Yang, William Rodríguez-Córdoba, Xu Xiang, and Tianquan Lian, Strong Electronic Coupling and Ultrafast Electron Transfer between PbS Quantum Dots and TiO2 Nanocrystalline Films, Nano Letters, 2012,12, 303-309 [10] Martynenko, I V Litvin, A.P.Purcell-Milton, F.Baranov, A.V.Fedorov,A V Gun'Ko, Y K, Application of semiconductor quantum dots in bioimaging and biosensing, Journal of Materials Chemistry B, 2017, 5, 6701-6727 [11] H Cui, Bo Feng, Xiao Ting Zhang, Feng Wang, Ya Ling Liu, Xu Guang Yang, Yong Zhen Jia, Hu Sheng, The use of carbon quantum dots as fluorescent materials in white LEDs, New Carbon Materials, 2017, 32, 385-401 [12] Shuai Chen, Xin Hai, Xu-Wei Chen, and Jian-Hua Wang, In Situ Growth of on Graphene Quantum Dots for Ultrasensitive Colorimetric Detection of H2O2 and Glucose, Analytical Chemistry, 2014, 13, 6689-6694 [13] Mohammad Amjadia, Tooba Hallaja, Hamideh Asadollahi, Zhenlun Song, Marta de Frutos, Niko Hildebrandt, Facile synthesis of carbon quantum dot/silver nanocomposite and its application for colorimetric detection of methimazole, Sensors and Actuators, B: Chemical, 2017, 244, 425-432 [14] Till T Meiling, Piotr J Cywiński & Ilko Bald, White carbon: Fluorescent carbon nanoparticles with tunable quantum yield in a reproducible green synthesis, Scientific Reports, 2016, 6, 1-9 [15] Shun Nishimura, Derrick Mott, Atsushi Takagaki, Shinya Maenosono and Kohki Ebitani, Role of base in the formation of synthesized using sodium acrylate as a dual reducing and encapsulating agent, Physical Chemistry Chemical Physics, 2011, 13, 9335-9343 [16] Hung-Jen Yen, Shan-hui Hsu, and Ching-Lin Tsai, Cytotoxicity and Immunological Response of Gold and of Different Sizes, Small, 2009, 13, 1553-1561 [17] Sudhir Kapoor, Preparation, Characterization, and Surface Modification of Silver Particles, Langmuir, 1998, 14, 1021-1025 [18] Khanh An Huynh and Kai Loon Chen, Aggregation Kinetics of Citrate and Polyvinylpyrrolidone Divalent Coated in Monovalent and Electrolyte Solutions, Environ Sci Technol, 2011, 45, 5564–5571 ... khối lượng chấm lượng tử sử dụng Hình 3.4 Khảo sát khả kháng vi khuẩn E coli hạt nano Ag tổng hợp từ phương pháp quang hóa sử dụng chấm lượng tử carbon a, Hạt nano Ag với mẫu tổng hợp sử dụng. .. chất dụng cụ Chấm lượng tử carbon tổng hợp từ phần 2.1, AgNO3 (99,9%- Aladin) 2.2.2 Thực nghiệm Chấm lượng tử tổng hợp phần sử dụng cho phần tổng hợp hạt nano Ag • 1ml chấm lượng tử 0.25, 0.5... Hình 3.3 Hình ảnh TEM hạt nano Ag tổng hợp phương pháp quang hóa sử dụng chấm lượng tử carbon Các hạt nano bạc tổng hợp phương pháp quang hóa sử dụng chấm lượng tử carbon phân tích phương pháp chụp