Theo đặc tuyến của LED, nó sẽ phát sáng khi điện áp phân cực thuận đạt Vd. Thông thường khoảng 2-3V với LED thường.
Giống như diode, LED cũng có 3 vùng cơ bản: Vùng áp phân cực thuận, vùng phân cực ngược (chưa hỏng diode) và vùng đánh thủng
Với điện áp thuận VF, dòng điện thuận tương ứng là:
) 1 ( 0 − = K T eV F B e I I [2.3] Trong đó:
IF: dòng điện thuận; I0: Dòng điện ngược; V: Điện áp thuận; KB: Hằng số
Boltzmann (K=1.38x10-23[J/K]); K: Nhiệt độ Kenvin; e = 1.6x10-19 [C] Với dòng áp ngược VR, dòng điện ngược tương ứng là:
+ = = n p n p n p F L n D L p D eA I I 0 [2.4]
Trong đó và là mật độ electron và lỗ trống trong vùng p và n; A là diện tích mặt cắt ngang lớp p – n; Lp, Ln, Dp, Dn là độ dài khuếch tán và hệ số
khuếch tán của electron và lỗ trống. 2.1.3. Diode phát xạ cực tím Ta có công thức: ) ( 24 , 1 eV Eg Eg hC = = λ [2.5] Như vậy, để có λ trong khoảng ánh sáng cực tím thì ta phải tăng Eg. Việc tăng Eg này được thực hiện thông qua một lớp đặc biệt gọi là giếng thếđa lượng tử (Multi Quantum Well, MQWs).
Hình 2. 4: Mô tả nguyên lý phát xạ bước sóng cực tím của UVLED.
Do vậy, ngoài cấu trúc chuyển tiếp p – n, UV LED còn có một vùng đặc biệt hơn so với các LED thông thường, vùng này có nhiệm vụ phát xạ ánh sáng có bước sóng tử ngoại, đó là cấu trúc giếng lượng tử (MQWs). Khi được kích thích, các lỗ trống trong lớp bán dẫn loại p di chuyển xuống các lớp giếng lượng tử, đồng thời các electron trong lớp bán dẫn loại n cũng di chuyển vào cấu trúc đa giếng lượng tử. Tại đây chúng bị giam giữ trong các lớp giếng và bị kích thích lên các mức năng lượng cao hơn. Sau đó chuyển về trạng thái các mức năng lượng thấp và phát xạ ra photon có bước sóng tử ngoại.
78H
Hình 2. 5: Mô tả cấu trúc UVLED của 1 LED thương mại và phóng lớn phần cấu trúc MQWs cho bức xạ cực tím 292H[30].
2.1.4. Hiệu suất phát xạ
Hầu hết các loại LED đều được chế tạo để khi chiếu sáng công suất quang nhỏ hơn 30 - 60 milliwatts điện [mW]. Khoảng năm 1999, Philips Lumileds giới thiệu cách duy trì năng lượng LEDs chỉ sử dụng 1 watt [W]. Chúng tiêu chiếm nhiều không gian cho chất bán dẫn chết so với chất bán dẫn hoạt động hay
điều khiển năng lượng thoát ra. Chất bán dẫn chết được gắn lên trên thanh kim loại để cho nhiệt thoát ra khỏi LED.
Một trong những điểm thuận lợi chính của ánh sáng dựa trên LED là tính hiệu quả cao của nó như là được đo đạt bởi ánh sáng mà nó phát ra trên mỗi đơn vị năng lượng đi vào. LEDs trắng đã mau chóng đánh dấu và vượt lên cả hiệu quả tiêu chuẩn của hệ thống siêu ánh sáng. Vào năm 2002, Lumileds đã làm cho LED 5 watt hiện lên với 1 hiệu suất toả sáng tới 18 – 22 lumens/ watt [lm/W]. Với sự so sánh này, 1 bóng đèn 60 – 100W nóng sáng bình thường phát ra khoảng 15 lm/W và tiêu chuẩn ánh sáng huỳnh quang phát ra trên 100 lm/W.
Chúng ta nên lưu ý rằng nếu năng lượng lớn hơn 1 W thì sử dụng tốt cho việc ứng dụng chiếu sáng vào thực tế. Dòng điện đặc thù cho các LED này được cung cấp ban đầu là 350 mA. Những đèn led năng lượng lớn có hiệu quả được công ty Philips là Lumileds Lighting đòi hỏi là hiệu suất chiếu sáng là 115 lm/W
2.1.5. Cường độ phát xạ và nhiệt độ môi trường
Nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ phát xạ của UVLED. Ở một khoảng nhiệt độ cao nhất định, quá trình khác của sự kết cặp điện tử - lỗ trống sẽ
xảy ra và phát xạ năng lượng không ở dạng photon mà ở dạng khác như nhiệt hoặc dao động mạng tinh thể. Hiện tượng này là do tạp chất hoặc lệch cấu trúc trong vật liệu và nó sẽ tạo ra “năng lượng vùng cấm mới” hay “thế năng mới” trong mạng tinh thể. Thế năng này sẽ bẫy các hạt dẫn và làm giảm dòng dẫn. Đây là quá trình không mong muốn và nó sẽ làm giảm cường độ phát xạ của đèn LED.
Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ phát xạ vào nhiệt độ, cho phép ta xác
định công suất của đèn LED chế tạo ở một điều kiện xác định. Các nghiên cứu về
sự phụ thuộc vào nhiệt độ của cường độ phát xạ 293H[09] cho thấy phương trình xấp xỉđược sử dụng là dạng biến đổi của phương trình :
[2.6] Trong đó:
: cường độ phát xạ tổng cộng (hoặc hiệu dụng) và phụ thuộc vào nhiệt độ : cường độ tổng cộng (hiệu dụng) ở nhiệt độ thấp
, : hằng số tỉ lệ
, : năng lượng kích hoạt (activation energy) của quá trình kết cặp không phát xạ (non-radiative recombination channel) sơ cấp và thứ cấp.
2.2. Phân loại và ứng dụng bức xạ tử ngoại ( UV) 2.2.1. Phân loại 2.2.1. Phân loại
Tia cực tím (hay tia tử ngoại, tia UV) là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nhìn thấy nhưng dài hơn tia X. Phổ tia cực tím có thể chia ra thành tử ngoại gần (có bước sóng từ 380 đến 200 nm) và tử ngoại xa hay tử ngoại chân không (có bước sóng từ 200 đến 10 nm) tìm thấy từ ánh sáng mặt trời. Các hình dưới đây minh họa và so sánh kích thước của các bức xạ ánh sáng và các ứng dụng của nó. Chúng ta thấy rằng sóng điện từ trải rộng từ lớn hơn 103m đến nhỏ
hơn 10-12m. Chúng được chia ra thành các nhóm với tên gọi theo ứng dụng của nó: Sóng vô tuyến ( bước sóng > 10-1 m), vi sóng (từ 10-1 đến 10-4), hồng ngoại (10-3 đến 10-6), cực tím (10-6 đến 10-8, tia X (10-8 đến 10-12) và bé hơn là tia gama,…
Hình 2. 6: Phân loại các sóng điện từ theo khả năng xuyên sâu qua khí quyển, tên gọi, bước sóng kích thước tần số và nhiệt độ phát ra của sóng.
Các tính chất và ứng dụng của các tia này đã được biết đến từ lâu và ngày càng có những ứng dụng sâu trong các lĩnh vực khoa học và đời sống. Riêng đối với tia cực tím (UV) từ 400 nm đến 40nm và được chia thành 4 vùng theo bước sóng và ứng dụng: UV-A,UV-B,UV-C và VUV.
Các vùng khác nhau của tia cực tím sẽ có các tính chất vật lý và quang phổ
khác nhau. Thông thường, người ta chia thành 4 vùng, hay phân ra chi tiết hơn theo tiêu chuẩn quốc tế DIS-21348 (ISO) qua năng lượng bức xạ từ được mô tả
như bảng 2.1.
Bảng 2. 1: Phân loại tia cực tím theo tiêu chuẩn ISO-DIS-21348 294H[36] .
Tên gọi Viết tắt Bước sóng trong phạm vi nanomet Năng lượng cho mỗi photon Tia cực tím A, sóng dài, còn gọi là ánh sáng đen UVA 400 nm-315 nm 3,10-3,94 eV Gần NUV 400 nm-300 nm 3,10-4,13 eV
Trung MUV 300 nm-200 nm 4,13-6,20 eV
Tia cực tím C, sóng ngắn, hoặc tia
khử trùng UVC 280 nm, 100 nm 4,43-12,4 eV
Xa FUV 200 nm-122 nm 6,20-10,2 eV
Chân không VUV 200 nm, 100 nm 6,20-12,4 eV
Thấp LUV 100 nm-88 nm 12,4-14,1 eV
Super SUV 150 nm-10 nm 8,28-124 eV
Extreme EUV 121 nm-10 nm 10,2-124 eV
Trong đó, tên gọi thông thường sử dụng trong sinh hoạt và ứng dụng thường người ta chú ý đến với các tên gọi là UVA,UVB và UVC.
2.2.2. Nguồn phát tia tử ngoại
Mặt Trời phát ra tia cực tím UVA, UVB và UVC, nhưng bởi vì sự hấp thụ
của tầng ozone khí quyển. Do đó, có đến 99% tia cực tím đến được mặt đất chỉ
còn là vùng UVA. Bản thân tầng ozone được tạo ra nhờ phản ứng hóa học có sự
tham gia của tia UVC.
Đèn thuỷ ngân áp suất thấp có cấu tạo giống với đèn huỳnh quang nhưng nó không tráng một lớp huỳnh quang để chuyển tia UV thành ánh sáng nhìn thấy
được. Bước sóng chính phát ra từđèn thuỷ ngân áp suất thấp là 254 nm (UVC). Tuy nhiên, tuỳ vào việc tráng thêm lớp huỳnh quang nào mà nó có thể tạo ra UVB, UVA hay ánh sáng nhìn thấy được. Đèn thuỷ ngân áp suất thấp được dùng rộng rãi trong việc khử trùng môi trường, khử trùng nước sinh hoạt, khử trùng dụng cụ y tế,… Tuy nhiên, đèn này chứa thuỷ ngân nên chúng ta phải chú trọng qui trình xử lý nó khi bóng bị hỏng để đảm bảo không ảnh hưởng đến môi trường.
Ngày nay, người ta chú trọng đến một diode phát ra bước sóng cực tím nhưng tiêu thụ năng lượng thấp và tuổi thọ cao. Đó là UV LED là một cấu trúc của LED nhưng có thêm các lớp GaN 295H[16] đặc biệt trong vùng phát xạđể có thể
phát ra ánh sáng trong dải bước sóng cực tím. Hiện tại, bước sóng của UVLED bị
giới hạn ở bước sóng 365nm. Hiệu suất phát xạ của UVLED ở bước sóng 365nm trung bình là 5-8% và 392nm là 20%. UVLED được ứng dụng trong kỹ thuật in số và ngày nay đang được nghiên cứu ứng dụng trong các thiết bị khử trùng, do
những đặc tính nổi bật về hiệu suất phát xạ cao, tiêu thụ công suất thấp, kích thước nhỏ, không chứa thuỷ ngân, tuổi thọ cao,...
Hình 2. 7:Ảnh chụp bề mặt của UVLED ký hiệu SB1100 với bước sóng 365nm, dòng tối đa là 700mA, sử dụng điện thế 5V.
UV diode laser và tia cực tím laser trạng thái rắn có thể được sản xuất để
phát ra ánh sáng trong dải tia cực tím. Bước sóng có sẵn bao gồm 262, 266, 349, 351, 355 và 375 nm. Nó có thể phát ra tia UV bằng cách ứng dụng chuyển đổi tần số, giảm tần số laser, hoặc từ Ce: LiSAF tinh thể. Ngoài ra còn một số nguồn phát tia UV khác ít phổ biến như: nguồn phát dùng đèn hồ quang thạch anh, hay
đèn phát tia UV dựa trên hiện tượng phóng điện qua khí trơ,…
2.2.3. Cơ chế diệt khuẩn của tia tử ngoại
Cấu trúc AND (Acid phosphoric, Deoxybose ,Nitrogenous base)
ADN bao gồm: acid phosphoric, đường deoxybose và nitrogenous base. Trong đó, base Nitor có thành phần đặc trưng là nuleotide, là hợp chất của các Purin và pyrimidin.
Hình 2. 8: Mô tả cơ chế sinh sản của vi khuẩn. . Purin bao gồm adenine (A) và guanine (G)
Có thể nói Purin và pyrimidin là thành phần nguyên liệu để các nhiễm sắc thể thực hiện phân bào (vi khuẩn sinh sản).
Cơ chế diệt khuẩn của tia UV
Tia UV tác động chủ yếu lên pyrimidin, tạo hợp chất dimer do thymin- thymin gắn lại. Các dimer cytosin-cytosin và cytosin-thymin cũng được tạo ra nhưng rất ít. Tất cả các dimer đều có khả năng ngăn cản quá trình sao chép ADN. Do đó tia UV không trực tiếp làm chết vi khuẩn mà nó có tác dụng làm thay
đổi cấu trúc di truyền của sinh vật, vi khuẩn được tiệt trùng ở cấp độ di truyền.
(a) (b) (c)
Hình 2. 9: Mô tả cơ chế tạo ra dimer làm thay đổi cấu trúc ADN của vi khuẩn chống lại sự sinh sản do phân bào: (a,b) một số liên kết T=T hình thành khi bị
UV tác dụng và (c) liên kết mới T^T được tạo nên.
2.3. Nước sinh hoạt và vi sinh vật
Theo các tài liệu cung cấp bởi Trung Tâm Kỹ Thuật Môi Trường và Năng Lượng Mới 296H[52] các vi sinh vật hiện diện trong nước thải bao gồm: các vi khuẩn vi rút, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và các loài động và thực vật bậc cao.
2.3.1. Các vi khuẩn, vi rút trong nước
Có thể chia làm 4 nhóm lớn: Nhóm hình cầu (cocci) có đường kính khoảng 1--3 µm; Nhóm hình que (bacilli) có chiều rộng khoảng 0,3--1,5 µm chiều dài khoảng 1-- 10 µm (điển hình cho nhóm này là vi khuẩn E. coli có chiều rộng 0,5 um chiều dài 2 µm; Nhóm vi khuẩn hình que cong và xoắn ốc, vi khuẩn hình que cong có chiều rộng khoảng 0,6-1,0 µm và chiều dài khoảng 2-6 mm; trong khi vi khuẩn hình xoắn
ốc có chiều dài có thể lên đến 50 mm; Nhóm vi khuẩn hình sợi có chiều dài khoảng 100 µm hoặc dài hơn.
Các vi khuẩn có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như trong các bể xử lý. Do đó đặc điểm, chức năng của các vi khuẩn hay ứng dụng cho đời sống con người cần phải nghiên cứu sâu và tìm thấy nhiều thú vị.
Ngoài ra, các vi khuẩn này còn có khả năng gây bệnh và được sử dụng làm thông số chỉ thị cho việc ô nhiễm nguồn nước do phân động vật, rác hữu cơ và các nguồn chất thải khác .
(a) (b) (c)
Hình 2. 10: Hình dạng một số vi khuẩn trong nước:(a) Salmonella hình ống dài, (b) E.coli hình trái chôm chôm và (c) Cholerae hình con giun 29 7H[01].
2.3.2. Thuộc tính của vi khuẩn E.Coli
Hình 2. 11: Ảnh chụp hiển vi và tên gọi khoa học của loài E.coli 2 98H[37]. Vi khuẩn Escherichia coli được phân lập và mô tả đầu tiên vào năm 1885 bởi nhà nghiên cứu người Đức (Theodor Escherich).
Domain: Bacteria Ngành: Proteobacteria Loại: Gamma Proteobacteria Nhóm: Enterobacteriales Họ: Enterobacteriaceae Giống: Escherichia Loài: E. coli Vibrio cholerae E.Coli Salmonella
Đặc tính
Theo hệ thống phân loại của Bergey, vi khuẩn E. coli thuộc họ
Enterobacteriaceae, giống Escherichia. E. coli là trực khuẩn Gram âm, di động, kích thước khoảng 2 – 3 x 0,5 ?m, không hình thành bào tử và có giáp mô.
E. coli có mặt thường xuyên và chiếm ưu thế trong ruột của người và động vật máu nóng, ở phần cuối của ruột non và ở ruột già
Cấu trúc cơ thể và sinh sản của E.Coli:
(a) (b)
Hình 2. 12: Vi khuẩn E.coli: (a) cấu trúc cơ thể299H[38] và (b) qui trình phân bào sinh sản 3 00H[39].
Một số chủng E.Coli và tác nhân gây bệnh:
. Enterotoxigenic E. coli (ETEC): Tác nhân gây bệnh tiêu chảy (không có sốt) ở người, lợn, cừu, dê, gia súc, chó, ngựa
. Enteropathogenic E. coli (EPEC): tác nhân gây bệnh tiêu chảy ở người, thỏ, chó, mèo và ngựa
. Enteroinvasive E. coli (EIEC): chỉ tìm thấy ở người. EIEC nhiễm trùng gây ra hội chứng giống hệt Shigellosis, với tiêu chảy ồạt và sốt cao.
. Enterohemorrhagic E. coli (EHEC): tìm thấy ở người, gia súc, và dê. Các thành viên nổi tiếng nhất của virotype này là chủng O157: H7, gây tiêu chảy có máu và không bị sốt. EHEC có thể gây ra hội chứng tán huyết-uremic và suy thận
. Enteroaggregative E. coli (EAEC): chỉ tìm thấy ở người. EAEC bám vào niêm mạc ruột gây tiêu chảy nhiều nước mà không sốt.
. Uropathogenic E. coli (UPEC): Nguyên nhân khoảng 90% các bệnh nhiễm trùng đường tiết niệu (UTI) được thấy ở các bệnh nhân với giải phẫu bình thường.
2.3.3. Sinh trưởng của vi sinh vật
Sinh trưởng của vi sinh vật là sự tăng số lượng tế bào. Tuy nhiên, do kích thước tế bào nhỏ nên khi nghiên cứu sinh trưởng của vi sinh vật, để thuận tiện, người ta theo dõi sự thay đổi của cả quần thể vi sinh vật.
Đối với những vi sinh vật khác nhau thì tốc độ sinh trưởng của chúng khác nhau gọi là thời gian thế hệ. Thời gian thế hệ được tính từ khi nó được sinh ra
đến khi nó phân chia
79H
Hình 2. 13: Mô tả quá trình phân chia của vi khuẩn.
Nếu ta cấy một vi khuẩn (sinh sản bằng phân đôi) vào bình chứa môi trường thì sự tăng số lượng tế bào sẽ diễn ra như sau:
Nt =N0 x 2n [2.7] Trong đó:
Nt : là số tế bào trong quần thể sau thời gian t. No: là số tế bào ban đầu.
Thời gian thế hệ của mỗi loài vi sinh vật không giống nhau. Nó phụ thuộc vào loài và môi trường nuôi cấy
Ví dụ, trong điều kiện phòng thí nghiệm:
. Thời gian thế hệ của vi khuẩn E. Coli là 20 phút . Thời gian thế hệ của vi khuẩn lao là 1000 phút . Thời gian thế hệ của trùng đế giày là 24 giờ
2.4. Qui trình xét nghiệm và khảo sát 2.4.1. Qui trình xét nghiệm 2.4.1. Qui trình xét nghiệm
Mẫu bệnh phẩm được lấy trong môi trường tự nhiên, do nó chứa nhiều loại vi khuẩn khác nhau nên mẫu bệnh phẩm phải được tiến hành phân lập để tách lấy Coliform hoặc E. coli phục vụ cho thí nghiệm.
Bước 1: Các mẫu bệnh phẩm trong tự nhiên được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng thích hợp cho việc phát triển của E.coli nhưng lại không thích hợp