Nanocomposit của Fe3O4 và Ag nano được tổng hợp trong dung dịch CS như trình bày trong mục 2.2.2. Đầu tiên các hạt nano Fe3O4 phân tán trong dung dịch CS, sau đĩ, cho thêm dung dịch AgNO3 vào, ion Ag+ sẽ hấp phụ lên composit Fe3O4/CS. Kết thúc quá trình, ion Ag+ sẽ được khử về kim loại Ag bằng NaBH4 được theo phương trình sau:
2AgNO3 + 2NaBH4 → 2Ag + H2 + B2H6 + 2NaNO3
Nồng độ CS sử dụng trong quá trình tổng hợp được khảo sát lựa chọn thơng qua kết quả phân tích hàm lượng Ag trong thành phần của nanocomposit bằng phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X, và kết quả xác định từ độ bão hịa. Vật liệu Fe3O4 – CS/Ag sau đĩ được phân tích đặc trưng tính chất bằng các phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ hồng ngoại (FTIR), quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (FESEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
3.2.1.1. Lựa chọn nồng độ chitosan
Vật liệu nanocomposit Fe3O4–CS/Ag tổng hợp trong dung dịch CS với các nồng độ khác nhau: 0,1%; 0,25% và 0,5% được xác định hàm lượng bạc trong thành phần bằng phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X. Hình 3.8 trình bày các phổ EDX thu được, tỷ lệ phần trăm về khối lượng và nguyên tử cũng được xác định và trình bày trên bảng 3.5.
Hình 3.8. Phổ EDX của nanocomposit Fe3O4 –CS/Ag tổng hợp với nồng độ CS là 0,1% (a), 0,25% (b) và 0,5% (c).
trong dung dịch CS nồng độ khác nhau. Nguyên tố Mẫu Fe3O4 – CS/Ag 0,1% Fe3O4 – CS/Ag 0,25% Fe3O4 – CS/Ag 0,5%
Trên phổ EDX (hình 3.8) của nanocomposit Fe3O4–CS/Ag xuất hiện thêm các píc của nguyên tố Ag và C chứng tỏ sự cĩ mặt của CS và Ag trong thành phần nanocomposit. Từ kết quả phân tích EDX của các vật liệu tổng hợp được, nhận thấy khi nồng độ dung dịch CS tăng lên thì hàm lượng Ag trong thành phần nanocomposit cũng tăng lên, rõ ràng việc sử dụng CS giúp cho quá trình tổng hợp nanocomposit Fe3O4/Ag diễn ra thuận lợi hơn. Tuy nhiên hàm lượng CS tăng sẽ làm giảm từ tính của vật liệu. Hình 3.9 trình bày kết quả đo độ từ hĩa của nanocomposit Fe3O4–CS/Ag tổng hợp với nồng độ CS khác nhau. Với nồng độ CS tăng từ 0,1 đến 0,5%, giá trị Ms của nanocomposit giảm từ 58 emu/g xuống cịn 52 emu/g. Trường hợp nồng độ CS là 0,25%, hàm lượng bạc trong nanocomposit thu được là 8,79 % kl, Giá trị này khá cao và khơng thấp hơn nhiều so với trường hợp nồng độ CS sử dụng là 0,5%. Do đĩ nồng độ 0,25% CS được lựa chọn trong các thực nghiệm tiếp theo.
Hình 3.9. Đường cong từ hĩa của nanocomposit Fe3O4 –CS/Ag tổng hợp trong dung dịch CS với nồng độ khác nhau.
3.2.1.2. Kết quả đặc trưng cấu trúc và thành phần hĩa học
Cấu trúc hĩa học của vật liệu nanocomposit Fe3O4 – CS/Ag được phân tích bằng phương pháp đo phổ hồng ngoại và trình bày trên hình 3.10. Fe3O4 và CS cũng được phân tích đồng thời để đối chứng. Cĩ thể quan sát thấy trên phổ FTIR của nanocomposit ngồi các peak hấp thụ đặc trưng của Fe3O4 tại số sĩng 3444 cm-1, 1633 cm-1 và 578,8 cm-1, cịn xuất hiện thêm các đỉnh hấp thụ đặc trưng của CS: peak tại 2920 và 2845 cm-1 đặc trưng cho dao động hĩa trị đối xứng và bất đối xứng của nhĩm C-H, peak tại 1633 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C=O của nhĩm amid, peak tại 1428 cm-1 và 1378 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết CH2 và CH3, peak tại 1326 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C-N của nhĩm amid, peak tại 1075 và 1025 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C–
O [98]. Đồng thời ta cũng thấy rằng bằng phương pháp phân tích FTIR khơng nhận biết được sự cĩ mặt của Ag trong thành phần nanocomposit.
CS ( % ) qu a tr uy ề n Fe3O4 Ð ộ Fe3O4- CS/Ag 4000
Hình 3.10. Phổ FTIR của CS, Fe3O4 và Fe3O4-CS/Ag.
Tính chất quang của vật liệu nanocomposit Fe3O4-CS/Ag được nghiên cứu bằng phổ UV – Vis. Vật liệu oxit sắt từ nano Fe3O4 cũng được phân tích đồng thời để đối chứng, kết quả thể hiện trên hình 3.11.
Hình 3.11. Phổ UV - Vis của oxit sắt từ nano Fe3O4 (a) và nanocomposit Fe3O4- CS/Ag (b).
Ag là kim loại cĩ nhiều điện tử tự do, hạt Ag nano thể hiện tính chất quang rất đặc trưng do cĩ sự dao động cộng hưởng của các điện tử dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sĩng điện từ. Trên phổ UV – Vis của Fe3O4 khơng cĩ peak hấp thụ nào, trong khi đĩ phổ UV – Vis của nanocomposit xuất hiện peak hấp thụ khá mạnh tại 403 nm, chứng tỏ sự cĩ mặt của các hạt bạc trong vật liệu nanocomposit [99], các ion Ag+ hấp phụ trên Fe3O4-CS đã được khử thành cơng về Ag0 bằng NaBH4.
3.2.1.3. Kết quả phân tích cấu trúc tinh thể
Cấu trúc tinh thể của hạt nanocomposit Fe3O4-CS/Ag đã tổng hợp được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kết quả được trình bày trên hình 3.12.
Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X của nanocomposit Fe3O4 – CS/Ag.
Từ giản đồ nhiễu xạ tia X ta thấy xuất hiện các peak đặc trưng của oxit sắt từ nano tại gĩc nhiễu xạ 2θ là 30o, 35,5o, 43°, 53,5°, 57°, 62,5o. Ngồi ra, ta cịn thấy xuất hiện các peak đặc trưng của Ag nano tại gĩc nhiễu xạ 2θ là 38o, 44o, 64,4o
[100]. Như vậy, nanocomposit giữa Fe3O4 và bạc nano đã được tổng hợp thành cơng.
Từ kết quả XRD, kích thước tinh thể Fe3O4 và Ag cũng được tính theo cơng thức Scherrere: - Fe3O4: = Trong đĩ: θ: gĩc Bragg = 35.589o/2 = 0.310573 (radian) (2θ=35.560o) - Ago: = Trong đĩ: θ: gĩc Bragg = 38.153o/2 = 0.332948 (radian) (2θ=38.153 Theo cơng thức Scherrere thì hạt nano sắt từ cĩ kích thước 15,71 nm và hạt
3.2.2.4. Kết quả phân tích hình thái cấu trúc
Hình 3.13 trình bày các kết quả phân tích kính hiển vi điện tử quét xạ trường (FESEM) của vật liệu, ta thấy các hạt nanocomposit Fe3O4-CS/Ag tổng hợp được cĩ dạng hình cầu, cĩ xuất hiện cả Fe3O4 nano và Ag nano.
Hình 3.13. Ảnh FESEM của nanocomposit Fe3O4-CS/Ag.
Để phân tích rõ hơn hình dáng và kích thước của hạt nanocomposit Fe3O4- CS/Ag, mẫu nanocomposit Fe3O4-CS/Ag được phân tích bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM, kết quả trình bày trên hình 3.14. Ta thấy các hạt nanocomposit Fe3O4-CS/Ag tổng hợp được cĩ dạng hình cầu, kích thước lớn hơn Fe3O4 (hình 3.7) cỡ khoảng 20 – 45 nm khá đồng đều. Vậy quá trình tổng hợp nanocomposit Fe3O4- CS/Ag đã diễn ra thành cơng.
Hình 3.14. Ảnh TEM của nanocomposit Fe3O4-CS/Ag.
Khả năng kháng khuẩn của các vật liệu Fe3O4, Fe3O4/CS và Fe3O4-CS/Ag được khảo sát với vi khuẩn E.Coli bằng phương pháp xác định vịng vơ khuẩn trên đĩa thạch. Hình 3.15 và bảng 3.6 trình bày kết quả khảo sát với các mẫu Fe3O4, Fe3O4/CS và Fe3O4/CS/Ag, với các hàm lượng độ 2,7 và 5,0 mg/mL.
Hình 3.15. Ảnh thử nghiệm xác định vịng vơ khuẩn với E.coli của Fe3O4 (a); Fe3O4/CS (b) và nanocomposit Fe3O4-CS/Ag (c).
Bảng 3.6. Kích thước vịng vơ khuẩn đối với khuẩn E. Coli.
Mẫu
Fe3O4
Fe3O4/CS
Fe3O4-CS/Ag
Các mẫu Fe3O4, Fe3O4/CS ở nồng độ nghiên cứu khơng cĩ tác dụng kháng khuẩn E.Coli. Nanocomposit Fe3O4-CS/Ag ở nồng độ 2,7 mg/mL cĩ thể hiện hoạt tính kháng khuẩn với mật độ vi khuẩn 1 x 108 CFU/ml cho đường kính vịng vơ khuẩn 8 mm.
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.
M
(
em
u/
g)
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].
Đ ộ tr u yề n q ua ( % )
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.
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).
Nồng độ AgNO3 5 mM 10 mM 15 mM 20 mM 5 mM 10 mM 15 mM 20 mM
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) Nồng độ Ag+ sau khi hấp phụ (mg/L) Lượng Ag+ đã hấp phụ (mg)
Hàm lượng Ag trong thành phần nanocomposit (%)
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 xúc trực 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 nanocomposit Fe3O4-alginat/Ag.
Thơng số
Nồng độ nanocomposit Mật độ E. coli sau xử lý
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