Mục đích: xác định hiệu quả diệt khuẩn của sản phẩm nano bạc điện hóa điện áp cao so với các sản phẩm thương mại thông dụng.
Nguyên lý: Sử dụng phương pháp thạch đĩa để kiểm tra khả năng sống sót của các tế bào vi sinh vật (bao gồm cả nấm mốc và vi khuẩn) khi tiếp xúc với dung dịch nano bạc cả trong không khí và trong môi trường nước.
Thử nghiệm được tiến hành tại phòng hóa sinh, Viện Hóa học-Vật liệu và Viện Nghiên cứu Thủy sản 2-Tp.HCM.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Đặc tính của dung dịch nano bạc đã điều chế
Dung dịch nano kim loại bạc được điều chế bằng dòng một chiều với khoảng điện thế trung bình 8 kV ÷ 22 kV, dòng điện trung bình 40 mA ÷ 70 mA. Các mẫu dung dịch nano bạc có nồng độ, cỡ hạt và các đặc tính khác nhau phụ thuộc vào các thông số của quá trình hòa tan anôt bạc.
Phương pháp điện phân điện áp cao một chiều cho phép tạo ra dung dịch nano bạc với các tính năng cơ bản tương đồng với các sản phẩm thương mại đang được sử dụng. Bên cạnh đó dung dịch nano bạc được điều chế bằng dòng một chiều điện áp cao cũng có một số đặc điểm khác biệt về tính chất so với các loại dung dịch nano được điều chế bằng phương pháp khác.
3.1.1. Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc
Hình 3.1 trình bày phổ UV-Vis của các dung dịch nano bạc được điều chế bằng quá trình hòa tan anôt dòng DC điện áp cao với các điện cực đường kính khác nhau cho thấy phổ UV-Vis rất đặc trưng cho kim loại bạc nano trong dung dịch bởi vị trí của đỉnh phổ và chiều cao của đỉnh phổ tương ứng với nồng độ của nano bạc phụ thuộc vào điều kiện phản ứng. Mặt khác vị trí của đỉnh phổ UV-Vis cũng phụ thuộc vào điều kiện phản ứng và dao động từ 420 đến 450 nm. Kết quả hình 3.1 cũng cho thấy các dung dịch nano bạc được điều chế bằng điện áp cao đều có hình dáng đặc trưng của phổ UV-Vis được điều chế bằng các phương pháp khác như chiếu xạ gamma C60 [13] hay phương pháp khử hóa học muối kim loại [33]. Mặc dầu màu của dung dịch có sự thay đổi từ đen ( 4650,15) sang vàng ( 5650,15, 7650,15), nhưng đỉnh phổ chỉ dao động ở khoảng nhỏ trong vùng hấp thụ sóng UV-Vis của dung dịch nano bạc, chứng tỏ dung dịch có độ sạch cao, không bị lẫn tap chất như các chất khử còn dư hay chất bảo vệ bề mặt hạt nano như dung dịch được điều chế bằng phương pháp hóa học [102].
Hình 3.1. Phổ UV-Vis và màu của dung dịch nano bạc ở các đường kính điện cực khác nhau
Chiều cao đỉnh phổ UV-Vis khác nhau phản ảnh sự khác nhau về nồng độ các dung dịch nano bạc thu được, còn vị trí của đỉnh phổ UV-Vis phản ánh hiệu ứng huỳnh quang [58] của dung dịch do sự tổ hợp của nồng độ, kích thước và tính chất của hạt nano bạc trong dung dịch.
3.1.2. Hình dạng và kích thước hạt kim loại bạc trong dung dịch
Hình dạng và kích thước hạt của dung dịch nano bạc sau khi được chế tạo bằng phương pháp điện hóa điện áp cao sau đó được đánh giá và so sánh với các sản phẩm cùng loại được chế tạo bằng phương pháp khác. Các mẫu thử trước khi đem phân tích cỡ hạt đã được chụp ảnh TEM để xác định hình dạng và kích thước nano bạc. Kết quả cho thấy trên các mẫu đều tương tự nhau ở cỡ hạt nano. Hình 3.2 là ảnh TEM của mẫu dung dịch nano bạc điện hóa điện áp cao với chế độ điện phân ở khoảng cách điện cực là 1000 mm -
,
(a) và dung dịch nano bạc bằng phương pháp khử hóa học (b) theo [9]. Kích thước hạt rất nhỏ chỉ từ vài nm tới khoảng 14 nm, nhỏ hơn kích thước hạt dung dịch nano bạc được điều chế bằng phương pháp hóa học.
Hình 3.2. Ảnh TEM của dung dịch nano bạc
(a) điện hóa điện áp cao ở khoảng cách H = 1000mm; (b) dung dịch nano bạc bằng phương pháp khử hóa học
Hạt nano có dạng hình cầu chứng tỏ rằng chúng được tạo ra thông qua cơ chế điện hóa bằng các phản ứng khử các ion Ag+ hay Ag2O bởi vì nếu được tạo ra bằng phương pháp vật lý như bắn phá anôt bằng plasma thì hạt nano sẽ có hình dạng góc cạnh.
Thí nghiệm lựa chọn 10 mẫu để phân tích cỡ hạt trên thiết bị Nicomp 380 DLS tại Mỹ. Trong đó có 8 mẫu dung dịch nano bạc bằng phương pháp điện phân điện áp cao của điện cực đường kính 3 mm, thời gian 50 phút ở các khoảng cách khác nhau (có nồng độ trong khoảng từ 368,7 mg/l đến 612,5 mg/l theo công thức tính toán Faraday) và 2 mẫu còn lại là dung dịch nao bạc bằng phương pháp hóa học.
Để xác định cỡ hạt phân tán trong dung dịch người ta thường sử dụng phân bố Gauss như trong hình 3.3, hình 3.4 với tọa độ quan trọng là trung vị của phân bố sẽ là nơi tập trung phần lớn các hạt có kích thước như vậy trong dung dịch.
Hình 3. 3. Phân bố Gauss của (a) mẫu và (b) mẫu
Hình 3.4. Phân bố Gauss của (a) mẫu , và (b) mẫu ,
Trung vị phân bố Gauss của các mẫu cho trong bảng 3.1. Theo bảng 3.1, phân bố cỡ hạt của dung dịch điều chế bằng phương pháp hóa học có trung vị phân bố ở khoảng 52,5 135,5 nm còn phân bố cỡ hạt của dung dịch nano điện hóa là không đồng nhất, với khoảng dao động của trung vị rất lớn: 40 772,5 nm với các khoảng cách điện cực khác nhau. Với khoảng cách điện cực 800 mm mẫu ( , ) cho kích thước hạt nhỏ nhất và mẫu , cho kích thước hạt lớn nhất. Khi so sánh hai biểu đồ phân bố Gauss của hai phương pháp ta thấy có sự khác biệt: trong khi dung dịch nano bạc điều chế bằng phương pháp hóa học có trung vị phân bố rất tập trung ở vùng cỡ hạt
nano thì với phương pháp điện hóa, trung vị phân bố của các mẫu khác xa nhau, thậm chí tới cả vùng micromet. Để xem xét kỹ hơn về phân bố cỡ hạt, ngoài phân bố Gauss người ta còn có thể đo phân bố cỡ hạt theo các cách sau: phân bố theo cường độ phát xạ kết hợp (multi modal), phân bố theo thể tích, phân bố theo đếm số hạt. Các kỹ thuật phân tích này đặc biệt hay được sử dụng đối với các hệ hạt không đồng đều, phân tán tập trung ở các khoảng kích thước cách xa nhau.
Bảng 3.1. Trung vị phân bố Gauss của các mẫu thử
Ký hiêu mẫu
Thông số dung dịch mẫu thử Trung
vị phân bố cỡ hạt (nm) Điện áp điện phân (kV) Khoảng cách điện cực (mm) Dòng điện trung bình (mA) Nồng độ Dung dịch (mg/l) Faraday AAS 1. Mẫu dung dịch theo phương pháp khử hóa học
500,0 135,5
1000,0 52,5
2. Mẫu dung dịch theo phương pháp điện phân điện áp cao
, 8,5 400 45,4 443,7 145,7 , 11,8 500 62,6 612,5 113,26 599,5 , 13,6 650 63,3 425,0 61,59 178,9 , 11,4 700 56,4 437,5 772,7 , 13,9 800 65,6 462,5 40,0 , 12,7 850 63,7 412,5 27,86 50,8 , 14,5 900 66,0 512,5 96,0 , 21,6 1000 58,1 368,7 20,92 94,8
Ví dụ: Hình 3.5 mô tả phân bố cỡ hạt của mẫu mẫu , với đường cong Gauss (hình 3.5a) thì cỡ hạt là 40 nm nhưng theo phân bố kết hợp (hình 3.5b) thì ta thấy rõ có ba vùng cỡ hạt khác nhau như trong bảng 3.2. Với phân bố thể tích (hình 3.5c) thì vùng 2 và vùng 3 có trị số rất nhỏ và khi sử dụng
phân bố đếm số hạt (hình 3.5d) kích thước hạt chỉ còn ở vùng 1 và kích thước hạt 1 2,5 nm chiếm tới 99.3%. Qua đó thấy rằng dung dịch nano bạc ở dạng đa phân tán, kích thước phân bố không đều và tập trung ở ba vùng riêng biệt cách xa nhau. Trong trường hợp này, việc xác định cường độ tán xạ trở nên phức tạp hơn bởi chúng nằm trong hai vùng khác nhau: vùng Mie (≥ 150 nm) và vùng Releigh (≤ 150 nm) [51], [79]. Tương tự như vậy phân bố đếm số hạt của các mẫu khác nhau cho trong bảng 3.3.
Hình 3.5. Các dạng phân bố cỡ hạt của mẫu , : a - phân bố Gauss; b - phân bố kết hợp; c - phân bố theo thể tích; d - phân bố đếm số hạt
Bảng 3.2. Vùng cỡ hạt của mẫu ,
Vùng 1 Vùng 2 Vùng 3
1 3,2 nm 2 10 nm 3 76,8 nm
Qua ảnh TEM chứng minh tất cả các mẫu dung dịch bạc điện hóa đều cho kích thước hạt nano. Tuy nhiên phân bố Gauss cho đỉnh phân bố không đồng đều, cá biệt có một số trường hợp kích thước hạt ở vùng micromet, phân bố cường độ phát xạ kết hợp chỉ ra cỡ hạt nano bạc không liên tục mà theo các vùng tập trung riêng biệt hay hệ đa phân tán.
Bảng 3.3. Phân bố đếm số hạt của các mẫu Ký hiệu mẫu Đỉnh phân bố cỡ hạt (nm) Phân bố đếm số hạt Cỡ hạt chủ yếu (nm) % 135,5 1 2,8 99,4 52,5 1 5 99,6 , 145,7 1 19,1 99,8 , 599,5 1 149,9 99,4 , 178,9 1 19,2 87,3 , 772,7 1 108,2 99,2 , 40 1 2,5 99,3 , 50,8 1 2 86,9 , 96 1 4,8 97,5 , 94,8 1 4,7 100
Mặt khác phân bố đếm số hạt chứng minh rằng hệ dung dịch bạc điện hóa đều ở vùng kích thước nano và tương đương với dung dịch nano bạc điều chế bằng phương pháp hóa học. Các hạt có xu hướng kết tụ với nhau ở các khoảng cách điện cực nhỏ (<700 mm). Có thể tồn tại một cơ chế tự chống kết tụ đối với hạt nano kim loại trong dung dịch khi điện phân với khoảng cách điện cực lớn cần nghiên cứu.
3.1.3. Độ dẫn điện của dung dịch
Độ dẫn điện của dung dịch nano bạc được điều chế bằng phương pháp hòa tan anôt điện áp cao tại các khoảng cách điện cực anôt và catôt khác nhau với cùng thời gian phản ứng 50 phút so với phương pháp khử hóa học [29] được trình bày tại bảng 3.4.
Bảng 3.4. Độ dẫn điện æi ( µS/cm) của dung dịch nano điện hóa được điều chế bằng dòng một chiều điện áp cao với các khoảng cách giữa anôt và catôt
khác nhau Danôt-catôt (mm) Ký hiệu mẫu æ1 æ2 æ3 æ4 æ5 æ 400 , 87,9 89,8 90,4 93,6 94,7 91,3 500 , 68,9 71,1 71,3 72,2 72,4 71,2 600 , 69,5 74,5 76,7 77,5 75,5 74,7 700 , 72,3 72,9 73,1 73,2 72,7 72,8 800 , 71,5 72,3 72,7 72,9 71,2 72,1 850 , 64,3 65,5 66,2 66,5 66,6 65,8 900 , 76,1 80,0 82,0 83,0 83,0 80,8 1000 , 97 102 105 105 105 102,8 Khử hóa học 1768 1836 1872 1887 1880 1848,6 2770 2800 2810 2780 2820 2796,0 Nước cất hai lần 3,1 3,2 3,1 3,1 3,2 3,14
Theo bảng 3.4, độ dẫn điện của dung dịch nano bạc được điều chế bằng quá trình hòa tan anôt chỉ lớn hơn nước cất hai lần nhưng rất nhỏ so với độ dẫn điện của dung dịch nano bạc được điều chế bằng phương pháp khử hóa học [9], [29]. Điều này chứng tỏ dung dịch nano bạc của quá trình hòa tan anôt có chứa lượng ion không đáng kể so với dung dịch nano bạc hóa học. Từ đặc điểm về độ dẫn điện này có thể thấy các hạt nano kim loại bạc chủ yếu tồn tại ở dạng các tiểu phân trung hòa về điện.
3.1.4. Độ ổn định của hạt nano kim loại trong dung dịch
Như đã đề cập trong phần tổng quan về ổn định hạt nano trong dung dịch, thông thường có hai phương pháp: ổn định tĩnh điện và ổn định bằng hợp chất cao phân tử. Dung dịch nano bạc điện hóa điện áp cao một chiều không sử dụng hợp chất cao phân tử để ổn định hạt, nhưng dung dịch thu
được vẫn ổn định và không bị lắng đọng. Vậy cơ chế ổn định chỉ có thể là ổn định tĩnh điện và nếu như vậy thì các hạt nano kim loại bạc sẽ có các lớp vỏ trái dấu nhau bao quanh. Để xác thực điều này, đề tài sử dụng phương pháp đo thế Zeta để xác định độ ổn định của hạt keo nano bạc. Hình 3.6 trình bày kết quả đo thế Zeta của các dung dịch nano bạc điều chế bằng phương pháp hóa học và điện phân điện áp cao một chiều.
Ta thấy sự phân bố số hạt keo theo thế Zeta của hai loại dung dịch nano bạc được điều chế bằng phương pháp điện hóa (hình 3.6a đến 3.6e) và hóa học (hình 3.6g) theo [9] khác nhau về bản chất điện. Trong khi hệ keo được điều chế bằng phương pháp hóa học khử hóa học có giá trị dương do sự phân bố các hạt keo chủ yếu phía thế dương thì hệ keo nano bạc được điều chế bằng phương pháp hòa tan anôt lại có giá trị âm do sự phân bố các hạt keo chủ yếu ở vùng thế có giá trị âm. Theo [100], hạt keo nano bạc được bao bọc bởi lớp vỏ Ag2O/AgOH làm cho thế zeta có giá trị âm.
Hình 3.6cũng cho thấy sự phân bố của các hạt keo đo được từ các dung dịch điều chế bằng hòa tan anôt điện áp cao có độ tập trung tốt, nhất là khi thời gian phản ứng ngắn 5 phút (hình 3.6d). Điều đó cũng chứng tỏ khả năng thu được hệ keo có độ đồng nhất về kích thước cũng tương đối cao bằng phương pháp điện hóa hòa tan anôt điện áp cao.
Khi thời giản phản ứng tăng từ 5 đến 15 và 50 phút tương ứng hình 3.6d, hình 3.6e và hình 3.6b số lượng hạt keo có điện tích âm nhỏ tăng nhanh hơn nên hình dáng các đỉnh cũng lớn dần và giá trị điện tích giảm. Tương tự khi khoảng cách giữa các điện cực tăng số lượng các hạt keo đều tăng nhưng keo có điện tích âm nhỏ tăng tăng nhanh hơn nên giá trị điện tích tổng giảm.
Hình 3.6. Phân bố hạt keo và thế Zeta của các dung dịch nano bạc kim loại a,b,c - sau 50 phút với khoảng cách điện cực khác nhau; b,d,e - với thời gian khác nhau; g - dung dịch nano bạc điều chế bằng phản ứng khử hóa học theo [9].
Độ bền của hạt keo nano kim loại còn được chứng minh bằng cách lặp lại các phép đo TEM, thế Zeta của dung dịch nano bạc được bảo quản sau khoảng thời gian một năm. Thế Zeta và ảnh TEM cho thấy dung dịch ổn định sau một thời gian dài. Hình 3.7a, b là thế Zeta và ảnh TEM của dung dịch ngay sau khi được điều chế. Hình 3.7c, d là thế Zeta và ảnh TEM của dung dịch này một năm
sau đó. Thế Zeta về cơ bản giống nhau, còn ảnh TEM cho thấy các hạt nano có xu hướng kết tụ lại với nhau. Tuy nhiên với thời gian dài như vậy cho thấy độ bền của dung dịch keo nano bạc điện hóa điện áp cao một chiều là rất cao.
Hình 3.7. Thế Zeta và ảnh TEM của hạt keo bạc a, b - ngày 21/12/2011; c,d - ngày 22/1/2013
3.1.5. Phổ Rơn-ghen và EDX
Để khảo sát phổ Rơn-ghen và EDX, nghiên cứu tiến hành nhỏ giọt dung dịch nano bạc và làm khô liên tục bằng cách làm bay hơi nước nhờ máy hút ẩm trong môi trường buồng kín. Sau thời gian nhất định ta thu được một lượng mẫu bột đủ để phân tích. Kết quả phân tích mẫu bột của dung dịch
,
được trình bày tại hình 3.8 cho thấy rõ phổ đặc trưng của bạc kim loại với các góc 2θ tương ứng: 38,418 cho {111}, 44,551 cho {200}, 64,636 cho {220}, 77,556 cho {311} và 81,642 cho {222} bên cạnh lượng nhỏ phổ của
Ag2O với các góc 2θ tương ứng: 33,197 cho {111}, 37,984 cho {200}, 55,295 cho {220}, 65,872 cho {311} và 65,872 cho {222}.
Hình 3.8. Phổ Rơn-ghen của dung dịch nano bạc được điều chế bằng quá trình hòa tan anôt dòng cao áp và làm khô trong chân không
Phổ và kết quả phân tích EDX được trình bày tại hình 3.9 và bảng 3.5 cũng cho thấy tỷ lệ nguyên tử chủ yếu là bạc rồi đến oxy còn các bon và silic là tạp chất do vật liệu đế cũng chứng tỏ bên cạnh bạc kim loại được tạo thành còn nhận thấy có sự tạo thành Ag2O hoặc lớp phủ mỏng Ag2O [34] trên các hạt Ag. Điều đó lý giải hiệu ứng huỳnh quang màu của các sản phẩm dung