3.2.2.1. Tổng hợp hạt nanocomposit Fe3O4-alginat
a) Chế tạo hạt alginat
Hạt alginat được chế tạo bằng cách nhỏ giọt dung dịch natri alginat vào dung dịch Ca2+ như mơ tả trong mục 2.2.2. Sự hình thành các hạt xảy ra ngay khi dung dịch natri alginat tiếp xúc với dung dịch Ca2+ theo cơ chế quá trình tạo gel được gọi là cấu trúc kiểu “egg-box” [101]. Cấu trúc, kích thước và hình dạng của các hạt alginat phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ của dung dịch muối alginat ban đầu. Hình 3.16 trình bày ảnh hiển vi quang học của các hạt alginat tổng hợp với các nồng độ natri alginat thay đổi từ 0,2 đến 1,5%.
Hình 3.16.Ảnh hiển vi quang học của hạt tạo thành từ dung dịch Na alginat cĩ
nồng độ: 0,2% (a); 0,5% (b); 1% (c); 1,5% (d).
Quan sát hình ảnh hạt alginat trên hình 3.16 ta thấy khi nồng độ dung dịch natri alginat tăng thì kích thước hạt alginat cũng tăng lên. Khi hàm lượng alginat < 1% hạt alginat cĩ hình dạng khơng đồng đều và khơng trịn, do đĩ hàm lượng alginat 1% được lựa chọn để chế tạo hạt nanocomposit, kích thước hạt thu được khoảng 2 mm.
b) Chế tạo hạt nanocomposit Fe3O4-alginat
Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ Fe3O4 đến tính chất từ của hạt nanocomposit, hàm lượng Fe3O4 được thay đổi là: 10%; 25%; 40%; 75%. Đường cong từ độ bão hịa của hạt nanocomposit Fe3O4-alginat được trình bày trên hình 3.17.
-15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 -40 -20 0 20 40 (d) (c) (b) (a) M (emu/g) Từ trường H (Oe)
Hình 3.17. Đường cong từ hĩa của Fe3O4-alginat với hàm lượng Fe3O4 là: 10% (a),
25% (b), 40% (c), 75% (d).
Kết quả cho thấy, từ độ bão hịa của hạt nanocomposit Fe3O4-alginat tăng khi hàm lượng Fe3O4 tăng, tuy nhiên vẫn giảm đi khá nhiều so với Fe3O4 ban đầu. Khi hàm lượng Fe3O4 là 75% thì Ms đạt 40 emu/g, tuy nhiên hạt nanocomposit trong trường hợp này khơng bền, dễ bị vỡ do quá ít alginat. Trường hợp 40% Fe3O4, Ms chỉ đạt 30 emu/g tuy nhiên do mỗi hạt bead cĩ chứa nhiều hạt Fe3O4 bên trong, mỗi hạt bead lại hoạt động như một nam châm và hút theo các hạt khác, do đĩ vẫn cĩ thể dễ dàng tách vật liệu ra khỏi dung dịch bằng từ trường ngồi (hình 3.18). Vì vậy hàm lượng Fe3O4 là 40% được lựa chọn để chế tạo hạt nanocomposit Fe3O4- alginat/Ag.
Hình 3.18. Ảnh hạt nanocomposit Fe3O4-alginat.
c) Kết quả đặc trưng cấu trúc và thành phần hĩa học
Hình 3.19 trình bày phổ FTIR của hạt nanocomposit Fe3O4-alginat, so sánh với phổ FTIR của Fe3O4 nano và alginat. Ta thấy trên phổ FTIR của hạt nanocomposit (đường c), ngồi các peak hấp thụ đặc trưng của Fe3O4 tại số sĩng ở 578,6 cm-1; 1634 cm-1; 3444,7 cm-1 cịn xuất hiện các peak đặc trưng của alginat tại số sĩng 818 cm-1 ứng với dao động của nhĩm C-O; peak ở 1032 cm-1 liên quan đến dao động của nhĩm C-CH; peak ở 1303,6 cm-1
đặc trưng cho dao động của nhĩm C-O của axit cacboxylic và các dẫn xuất; peak ở 1417,7 cm-1 và 1609,6 cm-1 tương ứng với dao động đối xứng và bất đối xứng của nhĩm COO-; peak ở 2929,8 cm-1 là dao động của nhĩm C-H và peak 3449,6 cm-1
đặc trưng cho dao động của nhĩm – OH[102].
Hình 3.19. Phổ hồng ngoại của alginat (a), Fe3O4 (b) và Fe3O4-alginat (c).
d) Kết quả phân tích hình thái cấu trúc
Hình thái cấu trúc của hạt aglinat và nanocomposit Fe3O4-aginat được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét FESEM, kết quả được trình bày lần lượt trên hình 3.20 và hình 3.21.
Hình 3.20. Ảnh FESEM của hạt alginat.
Đ
ộ
truy
ền qua (
Trên ảnh FESEM ta cĩ thể quan sát thấy các hạt Fe3O4 nano phân tán khá đồng đều và được bao phủ bởi lớp polyme alginat.
Hình 3.21. Ảnh FESEM của hạt nanocomposit Fe3O4-alginat.
3.2.2.2. Tổng hợp nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag
Vật liệu nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag được tổng hợp như mơ tả ở phần 2.2.2. Hạt Fe3O4-aginat được phân tán trong dung dịch AgNO3. Ion Ag+ hấp phụ lên trên bề mặt hạt và sau đĩ được khử bằng NaBH4. Nồng độ Ag trước và sau khi hấp phụ được xác định bằng phương pháp phổ khối plasma (ICP-MS). Hạt Fe3O4-alginat/Ag sau khi chế tạo được đặc trưng tính chất bằng các phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), kính hiển vi quét xạ trường (FESEM).
a) Kết quả phân tích thành phần nguyên tố
Để xác định hàm lượng bạc trong thành phần nanocomposit, các mẫu vật liệu Fe3O4-alginat/Ag tổng hợp từ các nồng độ AgNO3 khác nhau được phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Hình 3.22 trình bày các phổ EDX thu được, tỷ lệ phần trăm về khối lượng và nguyên tử của các nguyên tố cũng được xác định và trình bày trên bảng 3.7.
Hình 3.22. Phổ EDX của hạt nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag tổng hợp từ dung dịch AgNO3 cĩ nồng độ khác nhau 5mM (a), 10 mM (b) và 15 mM (c).
Bảng 3.7. Thành phần các nguyên tố trong vật liệu Fe3O4-alginat/Ag tổng hợp từ dung dịch AgNO3 cĩ nồng độ khác nhau.
Nguyên tố Nồng độ AgNO3 % khối lượng Fe O C Ca Cl Ag Tổng 5 mM 5,72 47,34 36,87 5,32 0,69 4,07 100 10 mM 10,67 45,76 29,94 4,16 0,48 8,98 100 15 mM 12,16 41,03 24,26 5,56 0,72 16,27 100 20 mM 16,73 34,17 21,98 6,75 0,87 19,5 100 % nguyên tử 5 mM 1,62 46,81 48,57 2,10 0,31 0,60 100 10 mM 3,33 49,79 43,39 1,81 0,23 1,45 100 15 mM 4,3 48,24 41,76 2,65 0,27 2,88 100 20 mM 6,31 46,13 39,72 3,53 0,52 3,79 100
Kết quả phân tích EDX cho thấy trong thành phần nanocomposit Fe3O4- alginat/Ag ngồi Fe và O cịn xuất hiện thêm các nguyên tố C, Ca, Cl và Ag, chứng tỏ sự cĩ mặt của alginat và bạc và trong hạt nanocomposit. Từ kết quả ở bảng 3.7, ta thấy khi nồng độ của dung dịch AgNO3 tăng lên từ 5 đến 15 mM thì hàm lượng Ag trong thành phần nanocomposit cũng tăng lên rõ rệt, tuy nhiên với nồng độ 20 mM thì hàm lượng Ag tăng khơng nhiều so với trường hợp 15 mM.
Phương pháp phân tích EDX là phương pháp bán định lượng, kết quả thu được chỉ là thơng tin trên bề mặt vật liệu. Để xác định chính xác hơn hàm lượng bạc trong thành phần nanocomposit chúng tơi đã sử dụng phương pháp phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) để phân tích nồng độ Ag trong dung dịch AgNO3 15 mM trước và sau khi hấp phụ (bảng 3.8). Từ kết quả này tính tốn được hàm lượng Ag trong thành phần nanocomposit là 6,4%.
Bảng 3.8. Hàm lượng Ag trong thành phần nanocomposit xác định bằng phương pháp ICP-MS. Nồng độ Ag+ trước khi hấp phụ (mg/L) 1605 Nồng độ Ag+ sau khi hấp phụ (mg/L) 465 Lượng Ag+ đã hấp phụ (mg) 34,2
Hàm lượng Ag trong thành phần nanocomposit (%) 6,4
b) Kết quả phân tích hình thái cấu trúc
Sau khi tổng hợp, nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag được phân tích hình thái cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét FESEM và trình bày trên hình 3.23.
Hình 3.23. Ảnh FESEM của nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag.
Quan sát ảnh trên ta thấy các hạt bạc nano cĩ dạng hình cầu rải rác trên bề mặt hạt nanocomposit. Kích thước của hạt bạc cũng khá nhỏ <30 nm. Như vậy quá trình tổng hợp nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag đã diễn ra thành cơng.
c) Kết quả khảo sát khả năng kháng khuẩn
Khả năng kháng khuẩn của vật liệu Fe3O4-alginat/Ag được thử nghiệm trên vi khuẩn E.coli bằng phương pháp tiếp xúctrực tiếp. Hạt nanocomposit với các lượng khác nhau được cho vào 200 mL dung dịch E.coli cĩ mật độ đầu là 7,2 x 105 CFU/mL, khuấy với tốc độ 300 vịng/phút. Sau 30 phút tiếp xúc mật độ vi khuẩn được xác định và trình bày trên bảng 3.9.
Bảng 3.9. Kết quả khử khuẩn E.coli của nanocompositFe3O4-alginat/Ag.
Thơng số Đơn vị tính Kết quả
Nồng độ nanocomposit mg/L 98 175 503 528
Mật độ E. coli sau xử lý
CFU/ml 2,1 x 104 1,9x 102 2,5 x 101 0
Hình 3.24.Ảnh thử nghiệm khả năng kháng khuẩn E.coli của nanocomposit Fe3O4- alginat/Ag với các hàm lượng khác nhau: (a) mẫu đối chứng (độ pha lỗng 103); (b)
98 mg/L; (c) 175 mg/L; (d) 503 mg/L; (e) 528 mg/L (khơng pha lỗng). Trong hình 3.24, cho thấy với mật độ vi khuẩn E.coli ban đầu là 7,2 x 105 CFU/mL đã được xử lý hồn tồn với nồng độ nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag là 528 mg/L sau 30 phút tiếp xúc. Thành phần bạc trong nanocomposit chiếm 6,4%, như vậy trong 528 mg vật liệu hàm lượng bạc là 33,8 mg. Với kết quả thử nghiệm theo phương pháp này, nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag cĩ hoạt tính kháng khuẩn yếu hơn vật liệu Fe3O4-CS/Ag dạng bột. Hạt nanocomposit với kích thước lớn nên khơng tiếp xúc tốt với vi khuẩn trong dung dịch.
Tĩm tắt kết quả phần 3.2:
- Đã tổng hợp được vật liệu nanocomposit dạng bột Fe3O4/Ag trên nền chitosan, sử dụng Fe3O4 chế tạo từ dung dịch tẩy gỉ thải bỏ của nhà máy thép. Nanocomposit Fe3O4-CS/Ag cĩ kích thước trong khoảng 20 – 45 nm, hàm lượng Ag 8,79 % kl, từ độ bão hịa Ms = 52 emu/g, cĩ hoạt tính kháng khuẩn tốt đối với E.Coli và dễ dàng tách loại bằng từ trường ngồi.
- Đã tổng hợp được vật liệu nanocomposit Fe3O4/Ag dạng hạt sử dụng alginat. Hạt Fe3O4-alginat/Ag cĩ kích thước khoảng 2 mm, hàm lượng Ag ~ 6,4 %, từ độ bão hịa Ms = 30 emu/g, cĩ hoạt tính với E. coli nhưng yếu hơn vật liệu dạng bột Fe3O4- CS/Ag, cĩ thể tách loại dễ dàng bằng từ trường ngồi.