7. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN
3.1. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HẠT NANO BẠC VÀ HẠT LAI
3.1.1. Hạt nano bạc
Quá trình tổng hợp nano bạc được tiến hành theo công trình đã công bố [4] với điều kiện tiến hành tổng hợp như sau: Dung dịch có nồng độ bạc (0,4%), PVA (8,8g/100ml), glucozơ (10-3M) với NaBH4 (10-3M), dung dịch NH3
(0,4M) và thời gian khử 7-8 giờ). Kết quả ảnh TEM mẫu được chỉ ra ở hình 3.1
Hình 3.1. Ảnh TEM mẫu nano bạc
Hạt nano bạc có kích thước trong khoảng từ 10 – 20 nm. Có thể nhận thấy các hạt nano có kích thước hạt đồng đều.
3.1.2. Nghiên cứu tổng hợp hạt lai Ag/TiO2
a. Ảnh hưởng của tác nhân khử đến quá trình tổng hợp hạt lai Ag/TiO2
Hình 3.2 và 3.3 là ảnh FESEM và TEM của hạt nano-TiO2 trước khi được lai với hạt nano bạc. Quan sát trên hình 3.2 và 3.3, có thể thấy hạt thương mại nano-TiO2 có kích thước khoảng 40-60nm.
Hình 3.2. Ảnh FESEM của hạt nano-TiO2 trước khi được lai với hạt nano bạc
Khảo sát tác nhân khử lần lượt là đường glucose, NaBH4 kết quả thu được ở bảng 3.1 phản ánh sự ảnh hưởng của tác nhân khử tới việc tạo thành hạt lai nano bạc.
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của tác nhân khử đến sự phân bố Ag trên TiO2
Chất
Tính chất Glucose NaBH4
Màu sắc Vàng sáng Nâu vàng
Sự phân bố hạt Ag trên TiO2 Nhỏ, tạo thành các hạt Ag riêng lẻ
Nhỏ, phân bố đồng đều trên bề mặt TiO2
Hình 3.4. Ảnh TEM cấu trúc hạt lai Ag/TiO2
a. Ảnh TEM hạt nano TiO2 ban đầu; b. Ảnh TEM sử dụng tác nhân khử glucose; c.d Ảnh TEM sử dụng tác nhân khử NaBH4.
Sử dụng chất khử là đường glucose tạo ra các hạt nano bạc rời, không bám trên bề mặt TiO2. Trong quá trình tiến hành thấy rằng thời gian khuấy trộn dài
a. b.
khoảng 4 giờ thì màu dung dịch mới thay đổi sang vàng sáng. Khi sử dụng chất khử NaBH4 có thời gian chuyển sang màu sẫm tương đối nhanh (sau khoảng 1,5 giờ). Kết quả hạt nano bạc trên bề mặt hạt TiO2 nhỏ, phân bố đồng đều. Hình ảnh của hạt lai được thể hiện ở hình 3.2. Từ kết quả khảo sát lựa chọn tác nhân phù hợp: NaBH4 để tạo ra hạt lai nano bạc có kích thước phù hợp trên nano TiO2.
b. Ảnh hưởng của nồng độ bạc nitrat đến quá trình tổng hợp hạt lai nano Ag/TiO2
Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ bạc nitrat theo phương pháp dùng tác nhân khử hỗn hợp. Chúng tôi tiến hành thay đổi lượng nước để hòa tan 0,01g AgNO3; Kết quả chỉ ra ở bảng 3.2.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ bạc nitrat đến sự phân bố Ag trên TiO2
Lượng nước hòa tan (ml) Tính chất 15 20 25 30 Màu sắc dung dịch tổng hợp
Nâu Nâu vàng Nâu vàng Vàng sáng Sự phân bố hạt Ag trên TiO2 Hạt tạo ra rất ít, các hạt to bám trên bề mặt Phân tán đồng đều kích thước khoảng 7- 15nm Phân tán đồng đều kích thước khoảng 7- 15nm Hạt tạo ra ít, co cụm, kích thước khoảng 30- 40nm
Từ kết quả bảng 3.2 cho thấy: Khi lượng nước pha ít, dẫn tới nồng độ bạc nitrat cao, hạt tạo ra co cụm, các hạt có kích thước lớn, phân bố không đồng đều trên bề mặt TiO2. Khi lượng nước lớn, nồng độ bạc nitrat thấp dẫn tới các
hạt nano bạc tạo thành riêng, ít bám trên bề mặt hạt lai. Nên thực tế lựa chọn lượng nước để pha bạc nitrat là 20ml.
c. Ảnh hưởng của nồng độ và lượng tác nhân khử đến quá trình tổng hợp hạt lai Ag/TiO2
Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tác nhân khử theo phương pháp dùng tác nhân khử hỗn hợp. Chúng tôi tiến hành thay đổi lượng nước để hòa tan 0,01g NaBH4; kết quả chỉ ra ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân khử đến sự phân bố Ag trên TiO2
Lượng nước hòa tan (ml) Tính chất 20 30 40 50 Màu sắc dung dịch tổng hợp
Nâu Nâu vàng Nâu vàng Vàng sáng Sự phân bố hạt Ag trên TiO2 Hạt tạo ra ít, các hạt to bám trên bề mặt Phân tán đồng đều Phân tán đồng đều Co cụm, tạo hạt riêng
Từ kết quả bảng 3.3 cho thấy: Khi lượng nước pha ít, dẫn tới nồng độ tác nhân khử NaBH4 cao, hạt tạo ra co cụm, các hạt có kích thước lớn, phân bố không đồng đều trên bề mặt TiO2. Khi lượng nước lớn, nồng độ tác nhân khử NaBH4 thấp dẫn tới các hạt nano bạc tạo thành riêng, ít bám trên bề mặt hạt lai. Nên thực tế lựa chọn lượng nước để tác nhân khử NaBH4 là 30ml.
Để khảo sát lượng tác nhân khử NaBH4 chúng tôi tiến hành thay đổi lượng tác nhân khử hòa tan trong 30 ml nước. Kết quả được chỉ ra ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của lượng tác nhân khử đến sự phân bố Ag trên TiO2
Lượng tác nhân khử (g) Tính chất
0,005 0,010 0,015
Màu sắc dung dịch tổng hợp Vàng sáng Nâu vàng
Nâu Sự phân bố hạt Ag trên TiO2 Hạt không phân
tán trên hạt lai
Phân tán đồng đều
Hạt co cụm trên bề mặt Từ kết quả bảng 3.4 cho thấy: khi lượng tác nhân khử ít, quá trình khử diễn ra chậm dẫn tới nano bạc hình thành không bám trên bề mặt hạt lại. Khi lượng tác nhân khử lớn, hạt tạo ra co cụm, các hạt có kích thước lớn, phân bố không đồng đều trên bề mặt TiO2. Nên thực tế lựa chọn lượng tác nhân khử NaBH4 là 0,010g.
d. Kết quả đặc trưng tính chất của hạt lai Ag/TiO2
* Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD)
Tiến hành phân tích đặc trưng tính chất hình thái pha của vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Kết quả được chỉ ra trong hình 3.5.
Hình 3.5 trình bày mẫu XRD của các hạt nano TiO2 và Ag/TiO2. Hình 3.5a cho thấy các pha rutil của TiO2 thể hiện một số đỉnh nhiễu xạ và các đỉnh phản xạ tại (110), (101), (111) và (211) với cường độ cao nhất, phù hợp với tài liệu [119]. Trong trường hợp của Ag/TiO2 trong Hình 3.5b, cực đại cường độ cao ở 380C đề cập đến phản xạ (111) của kim loại Ag [11]. Do nồng độ thấp (so với hạt nano TiO2), các đỉnh khác của Ag bị chi phối bởi các pha TiO2.
a. Giản đồ XRD của TiO2 chưa có bạc b. Giản đồ XRD của hạt lai Ag/TiO2
Hình 3.5. Giản đồ XRD của TiO2 và hạt lai Ag/TiO2
* Kết quả phổ UV-Vis
Hình 3.6. Phổ UV-Vis của mẫu nano TiO2, nano Ag và hạt lai Ag/TiO2
Hình 3.6 cho thấy phổ UV-Vis của các dung dịch nước chứa các hạt nano Ag, TiO2 và Ag/TiO2. Trong trường hợp hạt nano Ag (đường kính khoảng 10
nm), một dải rộng khoảng 398 nm được cho là hấp thụ do cộng hưởng bề mặt (đỉnh SPR) của hạt nano Ag [80]. Dải hấp thụ đối với hạt nano TiO2 được quan sát trong vùng UV (ở 360 nm), trong khi nó được chuyển sang vùng khả kiến đối với nano Ag/TiO2. Những kết quả này phù hợp với những báo cáo trong tài liệu về nano TiO2 pha tạp Ag [122].
* Kết quả đo phổ kế UV-VIS-NIR chế độ đo phản xạ
Để xác nhận sự lai tạp Ag/TiO2, chúng tôi đã sử dụng quang phổ phản xạ khuếch tán. Để thu được phổ phản xạ khuếch tán, trang bị thêm bộ quả cầu tích phân ISR-2600 Plus. Độ rộng vùng cấm của các hạt oxit bán dẫn được tính toán bằng phương pháp Tauc [162-167]. Hình 3.7 trình bày các giá trị năng lượng vùng cấm (Eg) của các hạt nano TiO2 và Ag/TiO2, từ phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis.
Hình 3.7. Phổ UV-VIS-NIR chế độ đo phản xạ của mẫu nano TiO2 và Ag/TiO2
Như có thể thấy trong Hình 3.7, mức năng lượng là 2,97 eV đối với TiO2 (vạch đen). Trong khi đó, nó là 2,8 eV (đường màu đỏ) đối với mẫu hạt lai nano
Ag/TiO2. Việc giảm năng lượng của Ag/TiO2 đã xác nhận sự lai hoá của TiO2
và Ag. Kết quả này cũng phù hợp với công bố của các tác giả khác trên thế giới [168-171].
* Kết quả ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
a. độ phóng đại 40.000; b. độ phóng đại 80.000 Hình 3.8. Ảnh TEM của hạt lai Ag/TiO2
Ảnh TEM (hình 3.8) ta thấy rằng các hạt nano Ag đã phân tán và bám đều trên bề mặt chất mang nano TiO2. Như có thể thấy trong hình này, hạt nano Ag (hạt đen, 5-10 nm) được phân tán tốt trên bề mặt của hạt TiO2 nano (30-60 nm). Các hạt nano lớn hơn được gán cho nano-TiO2 và những hạt nhỏ hơn là hạt nano Ag. Điều đáng chú ý là quá trình tổng hợp các hạt nano lai đã được tối ưu hóa để thu được các kích thước của các hạt nano lai.
* Kết quả BET hạt lai Ag/TiO2
Mẫu TiO2 ban đầu và TiO2 sau khi lai hóa theo phương pháp sử dụng tác nhân khử hỗn hợp được mang đi chụp BET với kết quả diện tích bề mặt riêng ở bảng 3.5 và sự phân bố mao quản ở hình 3.9.
Bảng 3.5. Diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET
TT Tên mẫu Diện tích bề mặt riêng (m2/g)
1 TiO2 ban đầu 24,9
2 Hạt lai Ag/TiO2 26,4
Từ kết quả bảng 3.5 cho thấy: Sau lai hóa diện tích bề mặt riêng có tăng lên, nhưng mức độ tăng không nhiều. Nguyên nhân tăng do tạo thành các hạt bạc nhỏ bám trên bề mặt hạt TiO2 nên làm tăng diện tích bề mặt riêng, nhưng do hạt nhỏ, bám trên bề mặt nên diện tích không tăng nhiều.
Hình 3.9. Sự phân bố mao quản của TiO2 và Ag/TiO2
a. Hạt nano TiO2 ban đầu; b. Hạt lai nano Ag/TiO2
Từ kết quả của hình 3.9 cho thấy: Sau khi lai hóa với bạc, mẫu TiO2 xuất hiện nhiều hơn các pic mao quản nhỏ ở vùng từ 2 đến 4 nm. Đây là các mao quản ngoài, bản thân các hạt TiO2 cũng tạo ra mao quan này, nhưng do hạt lớn, các hạt có kích thước nhỏ ít nên lượng mao quản này không nhiều. Sau khi lai hóa, các hạt nano bạc bám trên bề mặt hạt TiO2 với kích thước nhỏ nên lượng mao quản ngoài này tăng lên.
e. Khảo sát khả năng diệt khuẩn
Từ hạt lai nano bạc với TiO2 tổng hợp được, chúng tôi đã tiến hành thử hoạt tính sinh học của các hợp chất này trên các chủng khuẩn vi sinh vật kiểm định bao gồm: Vi khuẩn Gr(+): Staphylococcus aureus (ATCC 25923), vi khuẩn Gr(-): Escherichia coli (ATCC 25922), vi khuẩn Gr(-): Salmonella typhimurium (ATCC 14028).
Kết quả thu được thể hiện trên bảng 3.6 và hình 3.10; 3.11; 3.12
a. b.
c. d.
Hình 3.10. Ảnh thử hoạt tính của hạt TiO2 và hạt lai nano Ag/TiO2 trên đĩa thạch với vi khuẩn Staphylococcus aureus
(a) và (b): không chiếu xạ ánh sáng; (c) và (d) dưới chiếu xạ ánh sáng. Hình 3.10; 3.11 và 3.12 trình bày các bức ảnh của thử nghiệm kháng khuẩn đối với các hạt nano TiO2 và Ag/TiO2 chống lại vi khuẩn S. aureus, S.
Tyhimurium và E. coli, có và không có chiếu xạ ánh sáng, tương ứng. Bảng 3.6 hiển thị các giá trị tương ứng của chúng. Hình 3.9 a, b chỉ ra rằng trong bóng tối, các nano TiO2 không thể hiện tác dụng ức chế vi khuẩn S. aureus (ở nồng độ 8-40 mg/mL), trong khi các hạt lai Ag/TiO2 có hoạt tính kháng khuẩn đáng kể ở nồng độ 40 mg/mL. Nó chỉ ra rằng các tiểu phân nano TiO2 rất dễ bám vào màng tế bào và tích tụ [26,122,143]. Nhìn chung, các hạt nano TiO2 có thể tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh bằng cơ chế ROS dưới bức xạ tia UV. Vì các bước sóng phát ra của đèn LED trắng bao gồm các đỉnh trong vùng màu xanh lam (450-470 nm) và màu vàng (560-590nm), vùng ức chế của các hạt lai Ag/TiO2
(40 mg/mL) có thể được quy cho hàm lượng nano Ag trong các hạt nano lai (ví dụ: 1,3 mg/mL). Điều đáng chú ý là nồng độ TiO2 trong các hạt nano lai cao gấp 30 lần so với nano Ag (từ tổng hợp: tỉ lệ của Ag: TiO2 = 1:30). Các hạt nano này thể hiện vùng ức chế 2 mm (tính theo đơn vị đo) ở nồng độ thấp hơn là 16 mg/mL, cho thấy sự đóng góp của các hạt nano TiO2 trong các hạt nano lai này vào hoạt tính kháng khuẩn của chúng (bảng 3.6). Ở nồng độ 40 mg/mL, vùng ức chế của chúng tương tự như vùng ức chế được quan sát trong bóng tối (đường kính 4 mm), cho thấy sự đóng góp chủ yếu của nano Ag vào khả năng kháng khuẩn.
Hình 3.10 c, d cho thấy nano TiO2 không có tác dụng ức chế vi khuẩn dưới chiếu xạ ánh sáng (ở nồng độ 8-40 mg/mL). Một báo cáo cho rằng sự pha tạp TiO2 với các kim loại quý đã làm chuyển vùng hấp thụ của nó sang vùng khả kiến [104]. Không có chiếu xạ UV, các hạt nano TiO2 không ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Tuy nhiên, các hạt lai nano Ag/TiO2 đã ức chế hoạt động kháng khuẩn tốt chống lại cả vi khuẩn E. coli và S. aureus mà không cần ánh sáng UV [32,151]. Các tác giả khác cũng đã cho rằng các nano TiO2 với các hạt Ag có tính phân tán cao sẽ hạn chế hoàn toàn sự phát triển của vi khuẩn E. coli [158]. Barudin và cộng sự [22] chỉ ra rằng các hạt nano Ag/TiO2 thể hiện
hoạt tính kháng khuẩn vượt trội, so với các hạt nano TiO2 tinh khiết, ngay cả khi chiếu xạ ánh sáng nhìn thấy [22].
a. b.
Hình 3.11. Ảnh thử hoạt tính của hạt lai nano Ag/TiO2 trên đĩa thạch với vi khuẩn Escherichia coli
a. không chiếu sáng. b. Chiếu sáng ở nồng độ 0; 8; 16; 40 mg/mL
a. b.
Hình 3.12. Ảnh thử hoạt tính của hạt lai nano Ag/TiO2 trên đĩa thạch với vi khuẩn Salnonella tyhimurium
Trong nghiên cứu này, đối với vi khuẩn E. coli hình 3.11 và khuẩn
Salnonella tyhimurium hình 3.12, dưới chiếu xạ ánh sáng, các vi khuẩn nano Ag/TiO2 cho thấy hoạt tính kháng khuẩn cao hơn so với trong bóng tối. Bảng 3.6 cho thấy rằng, trong bóng tối, vùng ức chế của các hạt nano lai Ag/TiO2
tăng lên theo nồng độ của chúng, do sự gia tăng nồng độ nano Ag trong các hạt nano lai.
Bảng 3.6. Hoạt tính kháng khuẩn của mẫu hạt lai nano Ag/TiO2
Nồng độ
(mg/mL)
Hiệu số D1 – d1, (mm)
Staphylococcus
aureus Escherichia coli
Salnonella tyhimurium
Sáng Tối Sáng Tối Sáng Tối
0 0 0 0 0 0 0
8 0 0 6 2 0 0
16 2 0 8 6 6 2
40 4 4 8 8 8 6
D1 Đường kính vòng vô khuẩn (mm), d1 = 8 Đường kính giếng (mm)
Bảng 3.6 cho thấy rằng, trong bóng tối, vùng ức chế của các hạt nano lai Ag/TiO2 tăng lên theo nồng độ của chúng, do sự gia tăng nồng độ nano Ag trong các hạt nano lai.
3.1.3. Nghiên cứu tổng hợp hạt lai Ag/ZnO
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt lai Ag/ZnO
Quá trình tổng hợp xúc tác được tiến hành ở từng nhiệt độ khác nhau như: 25 oC; 35 oC; 45 oC và 50 oC các điều kiện khác của các quá trình tổng hợp này là giống nhau.
Ta thu được kết quả được thể hiện trong bảng mô tả về sự phụ thuộc của kích thước hạt lai vào thời gian tổng hợp hạt lai như bảng 3.7
Bảng 3.7.Sự phụ thuộc của kích thước hạt vào nhiệt độ
Nhiệt độ (oC) Kích thước hạt lai Ag/ZnO (nm)
25 8-20
35 15-25
45 18-32
55 20-29
Từ bảng 3.7 ta thấy, khi tăng nhiệt độ của quá trình kết tủa thì kích thước hạt cũng tăng theo nhưng không đáng kể, kích thước hạt không phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của quá trình kết tủa.
Do vậy chọn nhiệt độ quá trình tổng hợp hạt lai là 25 oC cho các quá trình khảo sát tiếp theo.
b. Ảnh hưởng của thời gian đến kích thước và sự phân bố hạt lai Ag/ZnO
Quá trình tổng hạt lai được tiến hành ở từng khoảng thời gian khác nhau để khảo sát kích thước của hạt. Ta có bảng 3.8 các kết quả về kích thước hạt.
Bảng 3.8.Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp hạt lai Ag/ZnO
Thời gian tổng hợp (giờ)
Kích thước hạt
lai (nm) Sự phân bố Ag/ZnO
5 7-12 Hạt tạo ra ít
6 8-15 Phân tán chưa đều
7 10-18 Phân tán đồng đều
8 11-20 Phân tán đồng đều
Kích thước hạt lai, sự phân bố của các hạt nano bạc trên bề mặt của chất mang ZnO phụ thuộc vào thời gian tổng hợp. Nếu thời gian tổng hợp quá ngắn thì các hạt nano Ag chưa có nhiều và khả năng bám chặt trên bề mặt hạt kẽm oxit thấp.
Từ kết quả bảng 3.8 ta thấy được rằng sự phân bố của các hạt nano bạc trên bề mặt chất mang phân tán tương đối đồng đều theo sự tăng dần của thời