về Ag0 bằng Sodium borohydride
Sodium orohydride là một chất khử có khả năng hoạt động rất mạnh đã được biết đến từ trước đến nay, có công thức cấu tạo hóa học NaBH4, điều này cũng đã được một số tác giả đề cập đến [25]. Chúng tôi đã tiến hành khảo sát cho khử Ag+ về Ag0
48
bằng nhiều tác nhân khác nhau như Hydrazine, chiếu xạ UV-VIS [14], NaBH4 . Sau đó tiến hành khảo sát kết quả bằng phổ UV- VIS .
Hình 29. Phổ UV-VIS của Nano bạc được chế tạo bằng các chất khử khác nhau
Trong kết quả UV- VIS, vị trí và hình dạng của đỉnh hấp thụ được dùng để nhận xét kết quả hạt Nano bạc sau khi tạo thành. Đỉnh hấp thụ bạc ở nằm ở vị trí càng gần về phía xanh thì kích thước hạt càng nhỏ, hình dạng đỉnh hấp thụ càng hẹp và nhọn bao nhiêu thì chứng tỏ các hạt tạo thành đồng đều và phân bố có trật tự bấy nhiêu. Điều này đã được Ki Chang Song đề cập đến trong công trình của mình [28].
Kết quả cho thấy khi khử bằng NaBH4, đỉnh hấp thu của bạc nằm ở vị trí nhỏ nhất, cũng như đạt được hình dạng, độ hấp thu cao nhất. Điều này chứng tỏ chất khử NaBH4 tỏra chiếm ưu thế hơn so với các tác nhân khử khác.
Quá trình khử Ag+
về Ag0 dưới tác động của chất khử NaBH4 được thể hiện bằng các phương trình dưới đây:
2 H2O + BH4 −
<=> 4H2 + BO2 -
2 Ag+ + H2 <=> 2Ag + 2H
Các thông số liên quan đến quá trình khử là tỷ lệ NaBH4 đưa vào phản ứng, thời gian khử, các điều kiện môi trường bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng,… sẽ được khảo sát và được trình bày tiếp theo sau.
3.4.1 Tỷ lệ NaBH4 đưa vào để khử Ag+ thành Ag0 :
NaBH4
Hydrazine Chiếu UV
49
Tỷ lệ NaBH4 đưa vào để thực hiện quá trình khử rất quan trọng. Nếu quá ít, sẽ chỉ khử được một số cation Ag+ nằm bên ngoài, không khử được các cation Ag+ hấp phụ trên MMT. Nếu quá nhiều, đầu tiên là lãng phí chất khử, sau đó lượng chất khử còn lại cũng ảnh hưởng đến sự đồng nhất của sản phẩm sau cùng. Ngoài ra, trong việc hình thành nên các hạt nano bạc, cùng với sự bảo vệ của giá mang MMT, chất bảo vệ PEG, còn có sự bảo vệ của lớp điện tích kép. Các cation Ag+
chưa được khử sẽ bao quanh hạt Ag0 , tạo một lớp bảo vệ bên ngoài mang điện tích dương của mỗi hạt nano bạc, sẽ làm cho các hạt nano bạc khó tiến gần nhau hơn. Khi cho quá nhiều chất khử, các cation Ag+
bị khử hết hoàn toàn, thì sẽ mất đi lớp bảo vệ điện tích kép này.
Trong công trình này, nhiều tỷ lệ mol NaBH4/Ag+ khác nhau đã được thử nghiệm : 0.5 , 1, 2 , 4, 8 Các kết quả được đánh giá bằng phổ UV- VIS , cũng như giản đồ XRD để chọn ra tỷ lệ phù hợp nhất.
Gọi r là tỷ lệ mol NaBH4/Ag+ tham gia phản ứng. Kết quả phổ UV- VIS
Hình 30. Phổ UV-VIS của Ag_MMT theo các nồng độ chất khử khác nhau
r = 2 r = 1 r = 4 r = 8 r = 0.5
50
Hình 31. Phổ UV-VIS Ag_PEG_MMT theo các nồng độ chất khử khác nhau
Ta thấy khi tỷ lệ NaBH4/AgNO3 ở tỷ lệ thấp (0.5, 1), đỉnh hấp thụ ở mức thấp, độ nhọn của đỉnh hấp thụ cũng cho thấy sự phân bố của các hạt nano bạc chưa đều. Khi gia tăng nồng độ chất khử NaBH4 lên (2, 4) thì độ hấp thụ của đỉnh bạc tăng lên, có nghĩa là các hạt nano bạc được tạo ra nhiều hơn, đồng thời độ nhọn của đỉnh cũng cho thấy sự phân bố đồng đều hơn. Tuy nhiên, khi từ tỷ lệ 2 lên 4, 8, ta thấy độ hấp thụ giảm đi một chút, vị trí của đỉnh cũng tăng từ 388nm xuống 390nm, 393nm điều này chứng tỏ khi các hạt được khử hết hoàn toàn sẽ làm mất lớp điện kép bảo vệ, khiến cho các hạt nano bạc dễ dàng kết tụ lại với nhau, làm gia tăng kích thước, chính là nguyên nhân đỉnh hấp thụ dịch chuyển sang bên đỏ, đồng thời do các hạt kết tụ lại vào nhau sẽ làm giảm mật độ hạt làm cho cường độ hấp thụ giảm xuống.
Trong các kết quả trên, ta thấy ở tỷ lệ mol NaBH4/AgNO3 = 2, đỉnh đỉnh hấp thụ nhọn, vị trí nằm ở 393nm (đối với mẫu Ag_MMT) và 388nm (Ag_PEG_MMT), lúc này các hạt vẫn được bảo vệ bởi lớp điện tích kép, chứng tỏ hạt có kích thước nhỏ hơn khi so với các công trình khác đã chế tạo Nano bạc với giá mang MMT [9,14,25], đa số đều nằm ở mức từ 396nm – 420nm. r = 2 r = 4 r = 8 r = 1 r = 0.5
51
Kết quả XRD
Hình 32. Giản đồ XRD của mẫu theo các nồng độ chất khử khác nhau
Trong giản đồ XRD, thì đỉnh đặc trưng của bạc thuộc mặt (111) và (200) nằm ở 2 vị trí vào khoảng 2θ = 380 và 440
. Tất cả các trường hợp đều nhận danh được đỉnh đặc trưng của bạc ở hai vị trí 380 và 440
, chứng tỏ sự hình thành của kim loại bạc trên MMT.
Dùng công thức Scherrer, ta tính được các kích thước của tinh thể bạc một cách tương đối như sau.
r = 2 r = 4 r = 1 r = 2 r = 4 r = 1
52
Bảng 5. Kích thước hạt nano bạc theo tỷ lệ chất khử đưa vào
r Góc nhiễu xạ (2θ) Độ bán rộng (B) Kích thước hạt Ag (nm) 1 38.3 0.379 22.24 2 38.3 0.401 21.02 4 38.2 0.372 22.66
Kích thước khi ở tỷ lệ r = 2 là nhỏ nhất, kết quả này phù hợp với kết quả thu được từ phổ UV-VIS, vậy tỷ lệ mol NaBH4/Ag+ = 2 cho kích thước hạt nano bạc tạo thành nhỏ hơn các tỷ lệ còn lại.
3.4.2. Thời gian thực hiện quá trình khử :
Khảo sát lựa chọn thời gian khử tốt nhất bằng cách, với tỷ lệ mol NaBH4/Ag+ = 2, ta tiến hành phản ứng khử theo điều kiện định trước. Lần lượt tại các thời điểm 0, 30’, 1h, 1h30’, 2h, 2h30’ ta tiến hành lấy mẫu để chạy phổ UV-VIS để theo dõi sự biến đổi của đỉnh hấp thu bạc trong phổ, từ đó suy ra được thời gian nào là tối ưu nhất cho quá trình khử.
Hình 33. Phổ UV-VIS của Ag_PEG_MMT theo thời gian khử
Qua kết quả UV, ta thấy ban đầu khi chưa thực hiện khử thì không hề có sự hiện diện của đỉnh hấp thụ của bạc, sau 30’ thì được đỉnh của bạc nằm ở vị trí là 391nm, có hình dạng nhọn, độ hấp thụ cao, sau đó giảm dần về độ hấp thụ cũng như dịch chuyển về phía xanh ở 388.5nm, 386nm, sau 1h30’, thì lại dịch chuyển sang bên đỏ. Điều này có thể lý giải như sau : sau 30’ đầu tiên, quá trình khử chỉ mới diễn ra với
t = 30’ t = 1h t = 1h30’ t = 2h t = 2h30’ t = 0
53
các cation Ag+
nằm ngoài khoang bạc, do đó có sự đồng đều về kích thước nên hình dạng đỉnh hấp phụ khá nhọn. Sau 1h thì quá trình khử bắt đầu diễn ra trong khoang sét, các hạt nano bạc hình thành ở đây bị khống chế sự lớn lên nên kích thước nhỏ hơn, dó đó làm dịch chuyển đỉnh hấp thụ của bạc sang vị trí thấp hơn, cũng như sự chênh lệch giữa kích thước hạt trong và ngoài khoang sét làm cho hình dạng đỉnh bớt nhọn hơn khi so với trường hợp sau 30’. Sau khi qua 2h, đỉnh hấp thụ dời sang vị trí cao hơn, cường độ hấp thụ giảm đi, có thể lý giải là các hạt nano bạc ngoài khoang sét tiếp tục kết tụ lại với nhau, làm giảm mật độ hạt, và việc khử trong khoang cũng hoàn tất, nên đỉnh hấp thụ không còn giảm nữa. Qua đó, chúng tôi đã lựa chọn tiến hành khử trong thời gian 1h30’ để cho các hạt nano bạc có kích thước tối ưu nhất.
3.5 So sánh quá trình tạo Nano bạc trong ba trường hợp: Ag_PEG, Ag_MMT và Ag_PEG_MMT
Với điều kiện phản ứng đã nêu ở những phần trước (nhiệt độ, áp suất bình thường, tỷ lệ khử NaBH4/Ag+=2, khử trong 1h30’), chúng tôi đã tiến hành khảo sát hai trường hợp có và không có sự hiện diện của PEG, để theo dõi sự khác biệt về hình dáng, kích thước cũng như độ phân bố của các hạt Nano bạc khi có thêm chất bảo vệ PEG. Ngoài ra, Ag_PEG cũng được thực hiện bằng cách giữ nguyên tỷ lệ của Ag và PEG giống như hai trường hợp có đất sét, tiến hành khử bằng NaBH4 với điều kiện tương tự để dùng làm so sánh, tìm hiểu tác dụng của MMT lên sự hình thành của nano bạc.
Kết quả UV- VIS:
Hình 34. Phổ UV-VIS so sánh giữa Ag_PEG, Ag_MMT và Ag_PEG_MMT
Ag_PEG_MMT Ag_ MMT Ag_PEG
54
Khi chỉ được bảo vệ bằng PEG, đỉnh hấp thụ của bạc nằm ở vị trí 394nm, hình dạng thấp, không nhọn do khi này các hạt chưa có sự đồng đều về kích thước. Khi hạt nano bạc được bảo vệ bằng MMT, đỉnh bạc dời về vị trí 391nm , chứng tỏ hạt tạo được đã có kích thước nhỏ hơn, đồng thời cũng đồng đều nhau hơn, điều này cho thấy MMT bảo vệ hạt nano bạc tốt hơn PEG. Tuy nhiên, khi kết hợp MMT và PEG trong việc chế tạo hạt nano bạc thì có kết quả tốt hơn (về kích thước, độ đồng đều, mật độ) khi so với hạt nano bạc được hình thành bằng sự bảo vệ đơn lẻ của PEG hoặc MMT, minh chứng là đỉnh bạc ở trường hợp này nhọn nhất, cao nhất, cũng như nằm ở vị trí thấp nhất (388 nm) khi so với hai trường hợp còn lại.
Kết quả XRD :
Hình 35. Giản đồ XRD của Ag_MMT và Ag_PEG_MMT
Ag_PEG_MMT Ag_MMT
Ag_PEG_MMT Ag_MMT
55
Kết quả XRD cho thấy khi có PEG thì khoang sét được nong lên cao hơn, do có sự hiện diện của PEG và nano bạc trong khoang (chủ yếu khoang nong lên do tác dụng của PEG). Cả hai trường hợp đều có xuất hiện đỉnh hấp thụ của bạc tại hai vị trí 2θ = 380 ,440
Dùng công thức Scheerer, ta tính được kích thước trung bình của Ag_MMT là 26nm, còn Ag_PEG_MMT là 21nm. Kích thước tinh thể của bạc trong Ag_PEG_MMT nhỏ hơn trong Ag_MMT.
Ag_MMT Ag_PEG_MMT
Hình 36. Ảnh TEM với nồng độ AgNO3 ban đầu là 10%
Ag_MMT Ag_PEG_MMT
56
Ag_MMT Ag_PEG_MMT
AgPEG Ag_PEG_MMT
Hình 38. Ảnh TEM của Nano bạc trong các hệ Ag_PEG, Ag_MMT và Ag_PEG_MMT
Các ảnh TEM đã khẳng định các hạt nano bạc tạo thành trên hệ MMT và PEG có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với hai trường hợp hạt nano bạc chỉ được bảo vệ bằng MMT hay PEG riêng lẻ. Khi thay đổi hàm lượng AgNO3 ban đầu (5%, 10%) thì PEG vẫn chứng tỏ được vai trò của mình trong sự hình thành của nano bạc. Ngoài ra, có thể thấy rằng khi chỉ dùng một chất bảo vệ thì MMT tốt hơn so với PEG, cả kết quả
57
TEM và UV-VIS đều cho thấy điều này. Như vậy, các kết quả TEM hoàn toàn phù hợp với các kết quả của UV-VIS, AAS, XRD.
Hình 39. Nano bạc hình thành trong khoang sét
Hình trên là một minh chứng cho việc nano bạc có hình thành trong khoang MMT, những hạt nano bạc nằm trong khoang có kích thước rất nhỏ, khoảng từ 0.8nm – 1.2nm, chứng tỏ được vai trò của PEG cho quá trình chế tạo nano bạc trên giá mang MMT. Đây là một kết quả mới so với các công trình khác làm về nano bạc trên giá mang MMT, cho thấy sự hiệu quả của việc kết hợp giữa MMT và PEG trong sự hình thành hạt nano bạc.
Mật độ phân bố và kích thước trung bình của các hạt nano bạc tạo thành trong hai trường hợp được tính toán bằng phần mềm ImageJ (1.43u) dựa trên trên ảnh TEM của các mẫu:
58
Hình 40. Sự phân bố kích thước hạt Nano bạc tạo thành trong Ag_MMT
Hình 41. Sự phân bố kích thước hạt Nano bạc tạo thành trong Ag_PEG_MMT
Ta thấy trong cả hai trường hợp, khi cho PEG vào đều làm giảm kích thước của hạt nano bạc đi khá nhiều. Kích thước hạt trung bình đạt được của Ag_MMT vào khoảng 12.5 nm (dao động từ 5nm tới 50nm), còn đối với Ag_PEG_MMT là 4.6 nm (dao động từ 1nm – 25nm). Khi không có PEG, kích thước hạt trung bình nhiều nhất là khoảng từ 5nm-10nm (37%), 0-5nm (20%). Khi có sự hiện diện của PEG, kích thước trung bình giảm xuống rõ rệt, 72% các hạt nano bạc tạo thành có kích thước <6nm, đa
20 37 15 7 6 4 4 3 1 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50 Tần suất( %) Kích thước hạt (nm) Ag_MMT 26 28 18 9 6 5 3 2 1 2 0 5 10 15 20 25 30 0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18 18-20 Tần suất (%) Kích thước hạt (nm) Ag_PEG_MMT
59
số các hạt đều có kích thước nhỏ, hạt nhỏ hơn 2nm cũng chiếm 26% tổng số hạt, đây là một kết quả tốt hơn khi so với mẫu chưa có PEG.
Kết quả AAS :
Bảng 6. Phân tích hàm lượng Ag bằng phổ hấp thụ nguyên tử
Thí nghiệm với nồng độ AgNO3 ban đầu là 5%wt
%wt Ag trên MMT (± 0.01)
Ag_MMT 3.54
Ag_PEG_MMT 4.62
Hàm lượng bạc ở mẫu có PEG cao hơn, chứng tỏ được vai trò của PEG trong việc giữ hạt nano bạc trong khoang sét MMT. Vì các hạt nano bạc chỉ nằm ở hai vị trí là hấp phụ trên bề mặt khoáng sét và bên trong khoang sét, nên khi hàm lượng của mẫu PEG cao hơn Ag_MMT, điều này cho thấy lượng nano bạc nằm trong khoang sét của mẫu có PEG là cao hơn. Vì các điều kiện trên bề mặt của MMT không thay đổi, nên lượng bạc hấp phụ trên bề mặt sẽ không có khác biệt giữa có và không có PEG. Khác biệt sẽ đến từ bên trong khoang sét vì PEG đều nằm trong khoang. Sự chênh lệch giữa hai kết quả chính là lượng nano bạc nằm trong khoang sét, chiếm khoảng 1% về khối lượng của khoáng sét MMT.
Các kết quả trên đều cho thấy, khi cho PEG vào quá trình phản ứng, sẽ làm tăng lên hiệu quả trong việc hình thành Nano bạc, từ kích thước, hình dáng, độ phân bố đến hàm lượng của Ag trong MMT. Ảnh TEM cũng cho thấy bằng chứng về việc đã có những hạt Nano bạc nằm trong khoang sét, điều mà chưa bài báo nào trong và ngoài nước đề cập đến. Mặc dù lượng Nano bạc nằm trong khoang sét chưa nhiều, chủ yếu vẫn hấp phụ ở bề mặt ngoài, nhưng đây cũng sẽ là một tiền đề tốt để nghiên cứu, tìm ra cách để đưa các hạt Nano bạc vào trong khoang MMT nhiều hơn trong tương lai.
3.6 Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của vật liệu Ag_MMT_PEG:
Khả năng kháng khuẩn của Nano bạc trên giá mang MMT đã được nhiều bài báo cũng như công trình nghiên cứu chứng minh [21, 22]. Ta cũng biết nguyên lý diệt khuẩn của Nano bạc là các hạt Nano có kích thước cực nhỏ phá hủy màng của các tế bào vi khuẩn (kích thước xấp xỉ 10nm), từ đó làm vi khuẩn không còn khả năng tìm thức ăn dẫn đến bị tiêu diệt. Tuy nhiên, trong đề tài này, khi các hạt Nano bạc được hấp thu vào MMT cùng với chất bảo vệ PEG, thì liệu tính diệt khuẩn của nó có bị ảnh
60
hưởng, có giảm đi khi so với Nano bạc bình thường không, đó là điều chúng tôi muốn tìm hiểu.
Khuẩn Escherichia coli (E.coli) được chọn để làm thử nghiệm, là một trong những loài vi khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của động vật máu nóng (bao gồm chim và động vật có vú). Sự có mặt của E.coli trong nước ngầm là một chỉ thị thường gặp cho ô nhiễm phân, thường được sử dụng làm sinh vật mô hình cho các nghiên cứu về vi khuẩn.
Hai nồng độ 10-4 và 10-6 được chọn để thực hiện thử nghiệm, do 10-6 là dịch khuẩn có nồng độ khuẩn E.coli thấp, dễ đếm các khuẩn lạc sau khi hình thành, dễ tính được % diệt khuẩn của dd Nano bạc . Còn nồng độ 10-4
, ngoài việc kiểm nghiệm khả năng diệt khuẩn của dd Ag ở mật độ khuẩn E.coli cao hơn, còn thử nghiệm khả năng