0

NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

6 14 0
  • NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/01/2021, 14:23

Nghiên cứu này báo cáo về khả năng diệt khuẩn Escherichia coli bằng phương pháp quang xúc tác sử dụng vật liệu ống nano TiO2 (TNT) dạng màng mỏng chế tạo bằng phương pháp điện di.. Kết [r] (1)NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI Nguyễn Thị Khánh Vân1,4, Nguyễn Thị Hà2, Vũ Hồng Hạnh3, Nguyễn Thị Hiền5, Hà Xuân Linh6,*, 1Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên, 2Trường Trung học phổ thông chuyên Trần Phú, Hải Phịng, 3Trường Trung học phổ thơng Phạm Ngũ Lão, Hải Phịng, 4Trường Đại học Cơng nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, 5Trường Đại học Y Dược - ĐH Thái Nguyên, 6Khoa Quốc tế - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Nghiên cứu báo cáo khả diệt khuẩn Escherichia coli phương pháp quang xúc tác sử dụng vật liệu ống nano TiO2 (TNT) dạng màng mỏng chế tạo phương pháp điện di Kết cho thấy sau chế tạo ống nano TiO2 có đường kính khoảng nm, chiều dài ống khoảng 200 đến 450 nm kích thước ống tăng ủ nhiệt 500oC với thành phần pha anatase Màng TNT có khả tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn E.coli nồng độ 106 CFU/ml thời gian 30 phút chiếu xạ đèn UVA phân hủy màng tế bào Từ khóa: TiO2 dạng ống; lắng đọng điện di; quang xúc tác; diệt khuẩn; vi khuẩn Escherichia coli. Ngày nhận bài: 25/3/2020; Ngày hoàn thiện: 15/5/2020; Ngày đăng: 21/5/2020 RESEARCH OF OPTICAL EXPLOITATION ON THE USE OF TiO2 FILTER MATERIALS MANUFACTURED BY ELECTROPHORESIS METHOD Nguyen Thi Khanh Van1,4, Nguyen Thi Ha2, Vu Hong Hanh3, Nguyen Thi Hien5, Ha Xuan Linh6* 1TNU - University of Science, 2Tran Phu High School, Hai Phong, 3Pham Ngu Lao High School, Hai Phong, 4VNU - University of Engineering and Technology 5TNU - University of Medicine Pharmacy, 6TNU - International Shool ABSTRACT This study reports the ability of photocatalytic disinfection of Escherichia Coli using thin film TiO2 (TNT) nanotube material made by electrophoresis method The results showed that the average diameter of TNT was nm with 200–450 nm in length The average crystalline size increased with the increase of the calcination temperature TNT membrane was able to completely destroy bacteria with concentration 106 CFU/ml during 30 minutes of UVA lamp irradiation due to the breakdown of the cell membrane Keywords: TiO2 nanotubes; electrodeposition; photocatalysis; antibacterial; Escherichia coli Received: 25/3/2020; Revised: 15/5/2020; Published: 21/5/2020 (2)1 Giới thiệu Việt Nam nước khí hậu nhiệt đới nên thuận lợi cho hầu hết vi sinh vật gây hại Vibiro cholera, Samonella, Shigella, Coliform, Escherichia coli phát triển gây các bệnh viêm dày, tiêu chảy, thương hàn,… Trong Escherichia coli (E.coli) lồi vi khuẩn có khả gây bệnh đường ruột thường dùng làm vi sinh vật thị cho mức độ ô nhiễm nguồn nước Do đó, loại bỏ thành phần vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt khuẩn E.coli vấn đề cần thiết Thực tế, quang xúc tác tia cực tím (UV) sử dụng vật liệu thương mại TiO2 thường hay được lựa chọn không độc, chi phí hợp lý có khả diệt khuẩn cao [1] Năm 2003 tác giả Sunada cộng công bố chế tạo màng nano TiO2 thủy tinh phương pháp nhúng phủ có khả tiêu diệt hoàn toàn vi khuẩn Ecoli sau 90 phút chiếu xạ nồng độ 2x105 CFU/ml [2] Cơ chế tiêu diệt vi khuẩn Foster công sự [3] nghiên cứu cho thấy gốc O2•-, OH• sinh trong q trình oxi hóa quang xúc tác phá hủy màng tế bào vi khuẩn dẫn đến chết tế bào vi khuẩn Nói chung, sử dụng TiO2 kết hợp ánh sáng mặt trời để diệt khuẩn chủ yếu sử dụng vật liệu TiO2 dạng huyền phù khả phân tán cao nước làm tăng khả tiếp xúc vật liệu vi khuẩn để q trình khử trùng diễn nhanh chóng đạt hiệu cao Tuy nhiên, nhược điểm sử dụng xúc tác dạng huyền phù cần phải tách chất xúc tác sau phản ứng khỏi nước để tái sử dụng lại [1] Vì vật liệu xúc tác quang có cấu trúc nano nên trạng thái lơ lửng, việc tách vật liệu cách lắng lọc thực điều kiện lượng nước xử lý lớn trở nên tốn phức tạp nhiều, hàm lượng chất xúc tác sử dụng cao hiệu diệt khuẩn ánh sáng mặt trời cịn thấp Do tạo vật liệu dạng màng mỏng gắn cố định giá dạng hạt hay dạng phẳng tránh việc tách chất xúc tác [4], [5] Ngoài ra, TiO2 với độ rộng vùng cấm khoảng 3.0-3.3eV, tham gia xúc tác vùng ánh sáng tử ngoại nên có 3-5% lượng ánh sáng mặt trời sử dụng Do đó, để tăng hiệu suất xúc tác quang vật liệu TiO2 có hai hướng được sử dụng: biến tính vật liệu để thu hẹp khe lượng cách thay phần ion Ti4+, O2- bằng ion kim loại, phi kim để làm dịch bờ hấp thụ phía bước sóng dài làm tăng hiệu ứng quang xúc tác vùng ánh sáng nhìn thấy tăng cường diện tích bề mặt cách chế tạo vật liệu TiO2 cấu trúc ống, sợi nano nhằm tăng hiệu suất quang xúc tác [6] Dưới dạng ống nano, khơng diện tích bề mặt vật liệu nano TiO2 tăng lên mà tính chất quang, điện thay đổi nhiều [6] Trong báo này, nhóm tác giả tiếp cận theo đường tăng diện tích tiếp xúc vật liệu vi khuẩn cách chế tạo ống nano TiO2 sử dụng phương pháp thủy nhiệt sau tạo thành màng đế dẫn điện suốt truyền qua (ITO) phương pháp lắng đọng điện di (EPD) ứng dụng quang xúc tác diệt khuẩn E.coli 2 Thực nghiệm 2.1 Chế tạo vật liệu Vật liệu TiO2 tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu dung dịch NaOH (Showa, Japan) nồng độ 10 M với dung mơi nước cất hai lần sau cho g TiO2 thương mại P25 (Germany) vào tiến hành trộn sử dụng máy rung siêu âm 60 phút Hỗn hợp thu cho vào bình thủy nhiệt giữ nhiệt độ 1300C 13 h Mẫu lấy hòa vào nước cất hai lần, rung siêu âm, xử lý axit HCl loãng, sau tiến hành rửa với nước cất hai lần lọc chân khơng nhiều lần Tiếp hỗn hợp sấy khô nhiệt độ 1000C 24 h Cuối vật liệu nghiền nhỏ cối mã não nung 5000C Để thuận tiện, mẫu lần lượt kí hiệu TNT (vật liệu ống TiO2 chưa ủ) TNT-500 (vật liệu ống TiO2 ủ (3)2.2 Chế tạo màng dạng ống TiO2 đế ITO Màng dạng ống TiO2 hình thành đế ITO phương pháp lắng đọng EPD Trước đó, ITO cắt thành kích thước 1,5 x cm sau rung siêu âm dung môi nước cất hai lần, ethanol acetone để loại bỏ hết chất bẩn bám bề mặt đế Tiếp theo, tiến hành sấy khơ đế ITO khí Ar bảo quản tủ hút ẩm Quá trình tạo màng sử dụng nguồn điện chiều giá thành thấp với điện áp thay đổi Đầu nguồn kết nối với hai điện cực, điện cực dương đế ITO, điện cực âm Pt Hình Sơ đồ minh họa trình lắng đọng điện di tạo màng TNT, ảnh nhỏ màng sau chế tạo Để tiến hành thí nghiệm, vật liệu TNT-500 phân tán tạo thành dung dịch keo sử dụng dung môi isopropylalkohol (IPA) làm môi trường phân tán Để tạo điện tích bề mặt hạt TNT-500, 10-1 mol của Mg(NO3)2.6H2O thêm vào dung dịch keo Màng chế tạo điện áp 75 V với thời gian phút, khoảng cách hai điện cực cm, diện tích lắng đọng 1cm2 Sau chế tạo màng để khơ tự nhiên nhiệt độ phịng ngày, sau sấy màng 500C 12 giờ, để nguội tự nhiên cất hộp bảo quản Hình sơ đồ minh họa hệ lắng đọng điện di ảnh chụp kĩ thuật số màng mỏng chế tạo 2.3 Các đặc trưng hình thái, cấu trúc vật liệu Hình thái học vật liệu xác định sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (Hitachi FESEM S4800) kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (JEOL JEM-2100F TEM) Cấu trúc vật liệu phân tích sử dụng thiết bị quang phổ Raman LabRam HR Evolution Jobin-Yvon Diện tích bề mặt riêng (BET) mẫu xác định tính từ đường đẳng nhiệt hấp phụ nitrogen 77 K sử dụng máy Miromerictics, TriStar 3000V6.07A Q trình ni xác định khuẩn tiến hành Bộ môn Vi sinh, Trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên 2.4 Đánh giá khả diệt khuẩn vật liệu ống nano TiO2 Chuẩn bị dung dịch chứa vi khuẩn E.coli với nồng độ 106 CFU/ml Các mẫu thiết bị được khử trùng tia tử ngoại thời gian 20 phút để loại bỏ hết vi sinh vật có sẵn bề mặt Tiếp theo nhỏ 30 µl dịch chứa vi khuẩn nồng độ 106 CFU/ml lên bề mặt mẫu, dàn khắp bề mặt Quá trình diệt khuẩn thực 30 phút với đèn UVA công suất W, khoảng cách từ đèn tới mẫu 30 cm Các mẫu sử dụng thí nghiệm bảng Bảng Các mẫu sử dụng thí nghiệm Tên mẫu Màng ống TiO2 Đèn UVA M1 có có M2 khơng có M3 khơng khơng Sau tiến hành lấy mẫu, mẫu cấy bề mặt thạch với ba nồng độ 10-1, 10-2, 10-3, đặt đĩa thạch tủ ấm với nhiệt độ 37oC Sau 24 xác định số lượng vi sinh vật sống sót bề mặt mẫu phương pháp đếm khuẩn lạc 3 Kết thảo luận 3.1 Đặc trưng vật liệu Hình2 phổ Raman mẫu TiO2 (P25 thương mại), TNT chế tạo phương pháp thủy nhiệt không ủ ủ 5000C.Kết (4)hiện qua đỉnh đặc trưng vị trí có số sóng Eg (147 cm-1), Eg (197 cm-1), B1g (399 cm-1), A 1g + B1g (516 cm-1), Eg (639 cm-1) Khi mẫu nung nhiệt độ cao mức độ kết tinh vật liệu tốt hơnthể cường độ đỉnh tăng rõ rệt Hình Phổ Raman vật liệu TiO2 P25 TNT không ủ ủ 5000C 3.2 Hình thái học vật liệu ốngTiO2 Kết ảnh TEM cho thấy sau phản ứng thủy nhiệt nhiệt độ 130oC sản phẩm thu được có dạng ống nano đường kính cỡ nm, chiều dài ống khoảng 200 đến 450 nm Khi ủ nhiệt nhiệt độ 500oC kích thước các ống thay đổi lớn dần có cấu trúc dạng ống rõ rệt kèm xuất hạt nano TiO2 có kích thước từ 20 nm đến 40 nm xen kẽ với ống nano Hình Ảnh TEM vật liệu TNT không ủ ủ 500oC 3.3 Diện tích bề mặt mẫu chế tạo Tính chất cấu trúc mao quản vật liệu nghiên cứu phép đo đường đẳng nhiệt hấp phụ khử hấp phụ N2 77K Kết trình bày hình 4a,b,c Diện tích bề mặt riêng BET phép đo cho mẫu 52,76 m2/g (P25), 390,01 m2/g (TNT) 106.30 m²/g (TNT-500) Từ kết đo BET cho thấy diện tích bề mặt ống nano TiO2 lớn nhiều so với TiO2 P25 mẫu (TNT-500) chế tạo có diện tích bề mặt lớn lần với vật liệu gốc P25 Kết hợp với kết Raman, TEM nghiên cứu trước, nhóm tác giả lựa chọn vật liệu ủ 500oC (TNT-500) để chế tạo màng trên đế ITO sử dụng kĩ thuật EPD Hình Đường đẳng nhiệt hấp phụ khử hấp phụ N2 mẫu (a) TiO2 P25, (b) TNT (c) TNT -500 Hình Ảnh SEM (a) phổ Raman (b) màng mỏng TNT-500 đế ITO 3.4 Màng TiO2 trên đế ITO (5)Để kiểm tra thêm, phép đo Raman (hình 5b) mẫu màng sau chế tạo thực Kết cho thấy phổ Raman mẫu màng TNT-500 tương tự phổ Raman mẫu bột đỉnh phổ khác 3.5 Kết nghiên cứu khả diệt khuẩn vật liệu TNT-500 Hình (a) Mẫu có màng TNT-500, có chiếu đèn UVA; (b) mẫu khơng có màng, chiếu đèn UVA; (c) mẫu khơng có màng, khơng chiếu đèn Khả diệt khuẩn mẫu TNT-500 đánh giá phương pháp đếm khuẩn lạc trên vi khuẩn đại diện E.coli Kết cho thấy màng TNT-500 có khả diệt khuẩn hoàn toàn khuẩn E.coli với nồng độ 106 CFU/ml thời gian 30 phút chiếu đèn UVA (Hình 6a) Lượng vi khuẩn mẫu khơng có màng TNT-500, có chiếu đèn UVA (Hình 6b) bị tiêu diệt lớn so với mẫu không chiếu đèn khơng có lớp màng TNT-500 (Hình 6c) Ngun nhân chiếu đèn có lượng vi khuẩn bị tiêu diệt tia UVA Còn mẫu khơng có màng TNT-500 khơng chiếu đèn lượng vi khuẩn giảm khơng đáng kể q trình chết tự nhiên Cơ chế diệt khuẩn màng TNT-500 giải thích sau: Trong điều kiện bình thường, vi khuẩn nhóm sinh vật đơn bào, có kích thước nhỏ có cấu trúc tế bào đơn giản Nó bảo vệ khỏi tác động bên nhờ màng tế bào, thành tế bào, màng tế bào chất Thành tế bào có tác dụng làm tế bào trở nên rắn để tế bào không bị áp suất thẩm thấu phá vỡ, đồng thời hình thành nên dạng đặc trưng vi khuẩn nấm Khi kích thích nguồn sáng UVA, bề mặt TiO2 xuất cặp e- - h+ là cặp oxi hóa – khử, tham gia phản ứng với phân tử O2, H2O, H2O2 tạo gốc hoạt động O2•-, OH• [6] (hình 7) Hình 7 Sơ đồ minh họa chế tạo gốc hoạt động của TiO2 kích thích ánh sáng [6] Các gốc tạo công màng tế bào chất dẫn đến phá hủy màng tế bào gây rối loạn cấu trúc chức màng tế bào chất áp suất thẩm thấu thành tế bào thay đổi, vận chuyển vật chất qua màng tăng lên cách không thuận nghịch tế bào khả vận chuyển chọn lọc dẫn đến khả phát triển tế bào khơng cịn tế bào chết Q trình phá hủy diễn cách liên tục phần tế bào tiếp xúc với xúc tác Hình sơ đồ minh họa chế hình thành gốc hoạt động phá hủy màng tế bào tác dụng TiO2 đèn UVA [3] (6)4 Kết luận Đã chế tạo vật liệu TNT phương pháp thủy nhiệt với thành phần pha anatase với diện tích bề mặt riêng 106.30 m²/g tạo thành màng TNT đế ITO phương pháp EPD Khảo sát khả quang xúc tác diệt vi khuẩn E.coli cho thấy màng TNT có khả tiêu diệt hồn tồn vi khuẩn thời gian 30 phút chiếu xạ đèn UVA phân hủy màng tế bào TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] R Angela-Guiovana, and C Pulgarin, “Bactericidal action of illuminated TiO2 on pure Escherichia coli and natural bacterial consortia: post-irradiation events in the dark and assessment of the effective disinfection time,” Applied Catalysis B: Environmental, vol 49, pp 99-112, 2004 [2] K Sunada, T Watanabe, and K Hashimoto, “Studies on photokilling of bacteria on TiO2 thin film,” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, vol 156, pp 227 -233, 2003 [3] H A Foster, S Varghese, and I B Ditta, “Steele A Photocatalytic disinfection using titanium dioxide:spectrum and mechanism of antimicrobial activity,” Appl Microbiol Biotechnol, vol 90, pp 1847-1868, 2011. [4] T H P Nguyen, Study on TiO2 manufacturing technology and application to the coating for ceramic material, Ha Noi University of Science and Technology, 2014 [5] K Sunada, Y Kikuchi, K Hashimoto, and A Fujishima, “Bactericidal and Detoxification Effects of TiO2 Thin Film Photocatalysts,” Environmental Science and Technology, vol 32, no 5, pp 726-728, 1998
- Xem thêm -

Xem thêm: NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI, NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

Hình ảnh liên quan

Màng dạng ốngTiO2 được hình thành trên đế ITO  bằng  phương  pháp  lắng  đọng  EPD.  Trước đó, các tấm ITO được cắt thành những  kích thước 1,5 x 3 cm sau đó rung siêu âm lần  lượt  trong  các  dung  môi  nước  cất  hai  lần,  ethanol và acetone để loại b - NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

ng.

dạng ốngTiO2 được hình thành trên đế ITO bằng phương pháp lắng đọng EPD. Trước đó, các tấm ITO được cắt thành những kích thước 1,5 x 3 cm sau đó rung siêu âm lần lượt trong các dung môi nước cất hai lần, ethanol và acetone để loại b Xem tại trang 3 của tài liệu.
Hình 1. Sơ đồ minh họa quá trình lắng đọng điện di - NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

Hình 1..

Sơ đồ minh họa quá trình lắng đọng điện di Xem tại trang 3 của tài liệu.
Hình 2. Phổ Raman của vật liệu TiO2 P25 và TNT  khi không ủ và ủ ở 5000C  - NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

Hình 2..

Phổ Raman của vật liệu TiO2 P25 và TNT khi không ủ và ủ ở 5000C Xem tại trang 4 của tài liệu.
3.2. Hình thái học của vật liệu của ốngTiO2 - NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

3.2..

Hình thái học của vật liệu của ốngTiO2 Xem tại trang 4 của tài liệu.
Hình 7. Sơ đồ minh họa cơ chế tạo gốc hoạt động - NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

Hình 7..

Sơ đồ minh họa cơ chế tạo gốc hoạt động Xem tại trang 5 của tài liệu.
Hình 6. (a) Mẫu có màng TNT-500, có chiếu đèn - NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

Hình 6..

(a) Mẫu có màng TNT-500, có chiếu đèn Xem tại trang 5 của tài liệu.
Để kiểm tra thêm, phép đo Raman (hình 5b) của mẫu màng sau khi chế tạo được thực hiện - NGHIÊN CỨU QUANG XÚC TÁC DIỆT KHUẨN SỬ DỤNG VẬT LIỆU MÀNG TiO2 DẠNG ỐNG CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN DI

ki.

ểm tra thêm, phép đo Raman (hình 5b) của mẫu màng sau khi chế tạo được thực hiện Xem tại trang 5 của tài liệu.

Từ khóa liên quan