Quy trình điều chế nano kẽm oxide bằng phương pháp sol – gel được thực hiện theo hình
Khuấy 30 phút, 50 – 60 ℃
Ly tâm 8000v/phút, 10 phút
Rửa với 3 lần nước
Sấy 80 ℃, 3h DD ZnAc.2H2O DD NaOH Huyền phù Lọc Rửa Nung ở nhiệt độ 180 ℃ Nung Sấy Hình 2.1. Quy trình thực nghiệm.
17
Dung dịch kẽm acetate (Zn(CH3COO)2.2H2O) có nồng độ 0,7 M được cho vào beaker sau đó dung dịch NaOH có nồng độ 12,5 M được cho từ từ vào dung dịch muối kẽm. Hỗn hợp được khuấy (2 mot) và nâng đến nhiệt độ 50 – 60 ℃ trên máy khuấy từ gia nhiệt và duy trì khuấy ở nhiệt độ này trong vòng 30 phút cho đến khi quan sát thấy xuất hiện kết tủa màu trắng. Huyền phù thu được được mang đi ly tâm ở 8000 vòng/phút (HERMLE Z326, Đức) trong vòng 10 phút để thu phần rắn. Phần rắn thu được được rửa sạch 3 lần trong nước cất bằng siêu âm (Elmasonic S300H, Đức) và sau đó đem ly tâm để thu lại phần rắn. Rắn thu được mang đi sấy ở nhiệt độ 80 ℃ trong 3 giờ để loại bớt phần nước thừa. Sản phẩm Zn(OH)2 sau sấy được đem nung ở 180 ℃ (Nabertherm, Đức) với tốc độ nâng nhiệt 7 ℃/ phút và lưu nhiệt ở 180 ℃ trong vòng 1h và làm nguội tự nhiên để thu được hạt nano ZnO.
Chế tạo màng nano ZnO trên kính thủy tinh:
Mẫu kính (Viglacera – Bình Dương) được cắt nhỏ với kích thước 3x3 cm. Mẫu được rửa kỹ với nước thường, sau đó đem ngâm 5 phút trong dung dịch acid HCl 0,5 M để vệ sinh bề mặt. Sau đó, mẫu kính được ngâm lại với nước cất 15 phút và rửa sạch acid. Mẫu tiếp tục rửa bằng dung dịch base 10% trong vòng 5 phút rồi rửa sạch với nước cất. Sau đó, sấy khô mẫu ở nhiệt độ 100 ℃ trong vòng 1h và bảo quản mẫu trong bình hút ẩm (quy trình 1).
Nano kẽm được phân tán trong nước cất hai lần với các nồng độ 0,5; 1,0; 2,5; 5,0 mg/ml. Sau đó, CMC được thêm từ từ vào huyền phù với tỉ lệ 0,1% theo khối lượng trên tổng lượng nước và nano ZnO, trong quá trình này đồng thời thực hiện khuấy từ va nâng nhiệt độ của hỗn hợp đến 50 – 60 ℃ và duy trì khuấy ở nhiệt độ này trong vòng 60 phút cho tan hoàn toàn được dung dịch màu trắng sữa.
Dùng micropipet hút lấy 200 μL dung dịch màu trắng sữa phủ đều lên tấm kính 3x3 cm đã chuẩn bị sẵn theo quy trình 1. Sau đó, mẫu kính được phủ được bảo quản để tránh bụi bẩn và làm khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng. Tấm kính khô được nung ở 600℃ (Nabertherm, Đức) với tốc độ nâng nhiệt 3 ℃/phút và lưu nhiệt ở 600℃ trong vòng 1 giờ.
18
2.2Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phổ nhiễu xạ tia X: 2.2.1 Phổ nhiễu xạ tia X:
Sự hình thành ZnO bằng phương pháp sol-gel được xác định bằng phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (D8 Advance, Bruker) với bước sóng của tia X chiếu tới bức xạ Kα của Cu là λα = 1,54060 Å. Mẫu sử dụng đi phân tích ở dạng bột được nghiền mịn bằng cối mã não.
Ngoài ra, dựa vào phổ XRD còn dùng để xác định kích thước hạt (trong trường hợp hạt nano) theo công thức Scherrer [2]:
𝐵(2𝜃) = 𝐾𝜆
𝐿𝑐𝑜𝑠𝜃 (2.1)
Trong đó, 𝐿 kích thước tinh thể, 𝜆 là bước sóng của tia X, 𝜆 = 1,54060 Å,
𝐵(𝐹𝑊𝐻𝑀) độ bán rộng của vạch nhiễu xạ, K là hằng số Scherrer (0,62 – 2,08), chọn giá trị K =1 cho tinh thể có tính đối xứng lập phương.
2.2.2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM):
Hình dáng và kích thước của các hạt nano ZnO được quan sát và tính toán thông qua phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua JEM1400 (Mỹ) ở mức điện thế 100 kV. Mẫu dùng để phân tích TEM ở dạng huyền phù (dung môi là nước và nồng độ 0,1 mg/ml)
2.2.3 Phổ tử ngoại khả kiến (UV – Vis)
Mỗi tia sáng là một dòng các photon. Khi photon gặp các phân tử mẫu, các phân tử mẫu sẽ hấp thu photon, làm giảm số lượng photon của tia sáng. Do đó, cường độ ánh sáng khi qua mẫu tới được đầu dò sẽ giảm. Cường độ ánh sáng đi ra khỏi dung dịch bị phụ thuộc vào nồng độ chất tan theo định luật Lambert – Beer:
𝐼 = 𝐼𝑜. 𝑒−𝜀𝐶𝑙 (2.4)
Trong đó, 𝐼 là cường độ ánh sáng ra, 𝐼𝑜 là cường độ ánh sáng tới, 𝜀 là hệ số hấp thu quang, 𝐶 nồng độ mol chất tan, 𝑙 là ánh sáng truyền qua (quang lộ).
19
Khi tiến hành đo mẫu trên máy quang phổ hấp thụ UV – Vis sẽ cho một dạng phổ có đỉnh hấp thụ xác định tương ứng với từng chất khác nhau. Các hạt nano ZnO hấp thụ bước sóng ánh sáng khoảng 300 – 450 nm. Như vậy, từ bước sóng của đỉnh hấp thụ ta có thể dự đoán được đó có phải là hạt nano ZnO hay không [1].
Trong luận văn này, phổ hấp thu UV – Vis mẫu huyền phù tổng hợp với nồng độ 0,1 mg/ml, được ghi nhận trên máy UH5300 HITACHI (Nhật) tại Phòng Hóa phân tích Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
2.2.4 Phổ hồng ngoại FTIR
Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại FTIR được sử dụng với mục đích xác định sự có mặt của các hạt nano ZnO trên mẫu vật liệu phủ và không phủ thông qua giao động của liên kết Zn – O. Phép phân tích này được thực hiện trên thiết bị FTIR (PerkinElmer Spectrum 10.5.2, Mỹ) trong khoảng quét từ 4000 – 400 cm-1.
2.2.5 Kính hiển vi điện tử quét và phổ tán sắc năng lượng (SEM - EDX)
Kính hiển vi điện tử quét được dùng để quan sát bề mặt của mẫu kính trước và sau khi phủ nano ZnO. Trong thực nghiệm này, SEM được kết hợp với phổ tán xạ EDX để xác định sự có mặt của ZnO trên bề mặt mẫu kính. Mẫu đi phân tích ở dạng rắn và được thực hiện trên thiết bị SEM (Hitachi – S4800, Nhật)
2.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của nano ZnO lên sự phát triển của vi sinh vật:
Sơ đồ quy trình đánh giá khả năng diệt khuẩn của màng nano ZnO được thể hiện trên (hình 2.2). Các mẫu kính (phủ và không phủ nano ZnO) đều được tiệt trùng ở 121 ℃ trong vòng 15 phút để loại bỏ hết vi sinh vật đã có sẵn trên bề mặt.
Chuẩn bị môi trường cho VSV: cân 0,6500 g Nutrient broth (Himedia, Ấn Độ) hòa tan vào trong 50 mL nước cất tiệt trùng dùng đũa thủy tinh khuấy đến khi tan hoàn toàn. Thêm 1,1000 g Agar (Duy Mai, Việt Nam) vào dung dịch và đem tiệt trùng ở nhiệt độ 121℃ trong vòng 15 phút.
Mẫu kính đã chuẩn bị được đặt vào đĩa petri. 20 μL huyền phù E.coli có nồng độ 104 CFU/mL (Phòng thí nghiệm Vi sinh Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm) được trải đều trên mặt mẫu kính (mỗi nhóm mẫu kính được lập lại 3 lần) và sấy ở
20
nhiệt độ 37 ℃ trong vòng 8 giờ. Sau đó, mẫu được đem ra và phủ một lớp môi trường dinh dưỡng cho VSV đã chuẩn bị từ trước rồi đem ủ ở nhiệt độ 37 ℃ trong vòng 24 giờ. Mẫu được đem đi quan sát bằng máy đếm khuẩn lạc (Selecta, Digital S, Tây Ban Nha).
Quy chuẩn ký hiệu mẫu được thể hiện theo bảng 2.1. Bảng 2.1. Trình tự các điều kiện chuẩn bị mẫu.
STT Ký hiệu mẫu Điều kiện thí nghiệm Nhiệt độ
1 Mo Mẫu kính phủ CMC 37 ℃
2 Mo- Mẫu kính phủ CMC + vi khuẩn E. coli 37 ℃
3 Mo+ Mẫu kính phủ CMC + nước cất tiệt trùng 37 ℃
4 M1 Mẫu kính + nano ZnO nồng độ 0,5 mg/ml 37 ℃
5 M2 Mẫu kính + nano ZnO nồng độ 1 mg/ml 37 ℃
Mẫu thủy tinh Mẫu được hấp tiệt trùng Cấy VSV với nồng độ cho trước
Ủ ở 37 ℃ trong 8 giờ Đổ môi trường NB/ Agar lên mẫu
Ủ ở 37 ℃ trong 24 giờ
Quan sát
21
6 M3 Mẫu kính + nano ZnO nồng độ 2,5 mg/ml 37 ℃
7 M4 Mẫu kính + nano ZnO nồng độ 5 mg/ml 37 ℃
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 3.1Kết quả XRD:
Kết quả đo XRD cho ta thấy trên phổ XRD xuất hiện rõ các peak ở vị trí lần lượt là (31,82; 34,48; 36,31;47,60; 56,62; 62,92; 67,95; 69,12). Kết quả này cho thấy vật liệu tạo thành là pha tinh thể. Kết hợp từ vị trí các peak của phổ phân tích với phổ chuẩn có số hiệu JCPDS No. 01 – 089 – 1397, vật liệu tạo thành là ZnO cấu trúc lục phương wurtzite. Vị trí xuất hiện của các peak trên phổ phân tích trùng hợp với kết quả của Wang và cộng sự [34] đã công bố kết quả tổng hợp ZnO từ nguồn Zn(CH3COO)2.2H2O.
Kết hợp với kết quả đo UV – Vis, ta có thể khẳng định rằng hạt vật liệu ZnO có kích thước nano.
22
Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của ZnO.
Thông qua giản đồ XRD các giá trị về kích thước hạt tinh thể trung bình được xác định bằng phương trình Debye – Sherrer (2.1) ta có bảng số liệu kích thước của các peaks đặc trưng của vật liệu nano ZnO như bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kích thước tinh thể đặc trưng của ZnO NP.
STT 2θ (độ) FWHM (radian) Cosθ (độ) L (nm) 1 31.82 0.3745 0.96 25 ± 1 2 34.48 0.2403 0.95 38 ± 1 3 36.31 0.3796 0.95 24 ± 1 4 47.60 0.0967 0.91 100 ± 1 30 40 50 60 70 002 102 112 201 101 200 103 110 100 inte nsity 2q ZnO
23 5 56.63 0.3593 0.88 27 ± 1 6 62.89 0.0437 0.85 237 ± 1 7 67.99 0.5362 0.83 19 ± 1 8 69.12 0.3878 0.82 27 ± 1 3.2Kết quả UV
Kết quả đo UV – Vis được thể hiện theo hình 3.1.
Hình 3.1 cho thấy sự xuất hiện một đỉnh hấp thụ nằm trong khoảng 350 – 400 nm. Sự xuất hiện của peak này có thể dự đoán sự có mặt của nano ZnO trong huyền phù. Kết quả này tương ứng với nghiên cứu của Wang và cộng sự và cũng như một số tác giả khác [34, 38] cho thấy sản phẩm tạo thành là ZnO.
24
3.3Kết quả TEM của mẫu ZnO:
Hình 3.3. Ảnh TEM mẫu nano ZnO.
Hình thái và kích thước hạt nano ZnO bằng phương pháp phân tích TEM được minh họa hình 3.3.
Kết quả phân tích ảnh TEM cho thấy, ZnO được tổng hợp có nhiều hình dạng khác nhau cụ thể là dạng hình que (rods) và cầu (hình 3.3a). Tuy nhiên, nano ZnO có kích thước không đồng đều, với kích thước khoảng 26 – 100 nm.
Kích thước hạt bằng TEM có sự khác biệt so với kết quả tính kích thước tinh thể thông qua kết quả XRD theo bảng 3.1. Điều này có thể giải thích được là một hạt trên ảnh TEM có thể được tạo từ nhiều tinh thể.
3.4Kết quả SEM - EDX:
Kết quả SEM – EDX của mẫu kính phủ và không phủ nano ZnO được thể hiện theo hinh 3.4a và 3.4b. Theo hình 3.4a mẫu không phủ nano (Mo) có bề mặt phẳng, trong khi đó mẫu có phủ nano ZnO (M5 - hình 3.4b) có bề mặt gồ ghề. Điều này chứng tỏ là trên mẫu M5 có các hạt nano ZnO trên bề mặt mẫu kính đã phủ.
25
(a) (b)
(c)
26
Hình 3.4. Ảnh SEM của mẫu (a) bề mặt kính mẫu Mo, (b) bề mặt kính phủ nano mẫu M4, (c)ảnh EDX mẫu kính phủ nano ZnO,(d) ảnh EDX mẫu không phủ nano ZnO.
Tuy nhiên, nano ZnO trong lớp phủ có hiện tượng kết tụ thành hạt lớn làm cho sự phân bố hạt không có sự đồng đều (hình 3.4b). Điều này có thể giải thích được là chất mang CMC có xu hương co màng khi phủ lên kính làm cho các hạt nano ZnO bị kéo lại gần nhau, đồng thời tốc độ nâng nhiệt thấp nên các hạt keo tụ lại thành hạt có kích thước lớn.
Sự có mặt của nguyên tố Zn trong mẫu nano ZnO trên phổ EDX (hình 3.4c,d) và thông qua bảng 3.2 và bảng 3.3 thành phần các nguyên tố có thể khẳng định lớp phủ trên bề mặt vật liệu có chứa Zn. Tuy nhiên, ở mẫu kính không phủ có dư nguyên tố Na, điều này có thể giải thích được là do một số mẫu không được rửa sạch sau khi ngâm kiềm. Ngoài ra, trên hình ảnh phổ có sự xuất hiện của các nguyên tố Ca, Mg, Si, Al là những thành phần của thủy tinh như vậy ta có thể kết luận là lớp vật liệu phủ lên kính có độ tinh khiết cao.
Bảng 3.2. Thành phần các nguyên tố trong mẫu kính phủ nano ZnO. Nguyên tố Khối lượng
(%) Nguyên tố (%) O 34.21 59.32 Mg 1.66 1.89 Al 0.29 0.30 Si 18.80 18.57 Ca 3.00 2.07 Zn 42.04 17.84
Bảng 3.3. Thành phần các nguyên tố trong mẫu kính không phủ nano ZnO. Nguyên tố Khối lượng (%) Nguyên tố (%)
O 64.28 74.76
27
Mg 2.05 1.57
Al 0.68 0.47
Si 21.34 14.14
Ca 1.06 0.49
3.5Kết quả phổ hồng ngoại FTIR:
Hình 3.5. Ảnh FTIR.
Phổ hồng ngoại FTIR của mẫu kính phủ nano ZnO và không phủ nano được thể hiện thông qua hình 3.5.
Sự có mặt của nano ZnO cho thấy rõ thông qua peak ở khoảng Zn – O gần 450 cm- 1 trong mẫu sau phủ. Điều này chứng tỏ mẫu đã được phủ ZnO thành công.
3.6Ảnh hưởng của nồng độ nano ZnO để diệt vi khuẩn E. coli:
28
Ảnh minh họa sau khi phủ lớp huyền phù 104 CFU/mL vi khuẩn E. coli. Mẫu Mo-
(hình 3.6a) có bề mặt trong suốt giống như bề mặt kính lúc ban đầu. Mẫu M1 (hình 3.6b) có bề mặt các hạt màu trắng li ti, phân tán không đồng đều. Mẫu M2 (hình 3.6c) xuất hiện các hạt màu trắng kích thước lớn tập trung ở giữa mặt kính xung quanh rìa là những hạt màu trắng nhỏ. Mẫu M3 (hình 3.6d) có bề mặt màu trắng có quầng màu trắng nằm xung quanh và các hạt màu trắng kích thước lớn nằm ở giữa bề mặt kính. Mẫu M4 (hình 3.6e) có bề mặt màu trắng phủ kín bề mặt mẫu kính. Mẫu Mo+ (hình 3.6f) có bề mặt trong suốt giống như bề mặt mẫu kính lúc ban đầu. Thời gian ban đầu to sau khi trải huyền phù vi sinh vật E. coli có nồng độ 104
CFU/mL, thì bề mặt mẫu không có gì thay đổi so với bề mặt lúc ban đầu chưa trải. Thời gian sau 24 giờ (t24):
Ảnh minh họa sau khi phủ lớp huyền phù 104 CFU/mL vi khuẩn E. coli ở thời gian là 24 giờ. Mẫu Mo- (hình 3.6g) có bề mặt đục và có các đốm màu trắng li ti nằm trải đều trên bề mặt kính. Đây là sự phát triển của vi sinh vật trong khoảng thời gian nuôi cấy. Mẫu M1 (hình 3.6h) và mẫu M2 (hình 3.6i) có các hạt trắng li ti nằm trên bề mặt mẫu kính và bị đục hơn so với mẫu ban đầu có thể giải thích được là do lớp phủ môi trường dinh dưỡng và cả vi sinh vật phát triển. Mẫu M3 (hình 3.6j) có bề mặt màu trắng có quầng màu trắng nằm xung quanh và các hạt màu trắng kích thước lớn nằm ở giữa bề mặt kính. Tuy nhiên, so với mẫu ở thời điểm to thì độ đục của mẫu hầu như không có sự thay đổi. Điều này có thể là do vi sinh vật không phát triển trên mẫu này. Mẫu M4 (hình 3.6k) có kết quả tương tự như mẫu M3.
Qua kết quả của sự phát triển của vi sinh vật sau 24 giờ, các mẫu có nồng độ nano ZnO phủ lên ≥ 2,5 mg/ml thì thể hiện khả năng diệt khuẩn với nồng độ vi sinh vật là 104 CFU/mL.
2
Hình 3.6. Phân bố nồng độ nano ZnO ở thời gian ban đầu (a-f), và sau 24 giờ (g-l)
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
3
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận:
Nano ZnO có kích thước 26 – 100 nm đã được tổng hợp bằng phương pháp sol – gel đi từ kẽm acetate và NaOH. Một số tính chất của nano ZnO như là cấu trúc pha, hình dáng hạt đã được phân tích bằng XRD và TEM.
Khóa luận đã chứng tỏ được sự có mặt của nano ZnO trên bề mặt thủy tinh thông qua phương pháp SEM – EDX.
Đánh giá được khả năng diệt khuẩn của màng phủ tạo bởi hạt nano ZnO với các nồng độ nano ZnO khác nhau. Qua hình (3.6) cho thấy mẫu có nồng độ ≥ 2,5 mg/mL trong điều kiện thí nghiệm với nhiệt độ 37 ℃ trong vòng 24 giờ cho thấy khả năng diệt khuẩn ở nồng độ 104 CFU/ml.
Kiến nghị:
Trong quá trình thực hiện luận văn, một số vấn đề cần được triển khai và nghiên cứu sâu hơn:
Hoàn thiện hơn quy trình phủ màng bằng phương pháp spin – coating.
Nghiên cứu gắn hạt nano ZnO lên polyme, cụ thể là màng tinh bột có khả năng tự