Chương 3 : Kết quả & bàn luận
1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
1.4.1 PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X – XRD [28]
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đƣợc sử dụng để phân tích các vật liệu có cấu trúc, nó cho phép xác định hằng số mạng và các peak đặc trƣng cho các cấu trúc đó. Đối với kim loại, phƣơng pháp XRD cho phép xác định chính xác sự tồn tại của kim loại trong mẫu dựa trên các peak thu đƣợc so sánh với các peak chuẩn của nguyên tố đó.
Nguyên lý của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X : đƣợc mô tả nhƣ hình dƣới đây :
Chùm tia X có bƣớc sóng chiếu vào hai bề mặt (scattering planes) cách nhau một khoảng cách d với góc tới (incident angle ). Khi đến chạm vào hai bề mặt trên, chùm tia tới sẽ bị chặn lại (intercept X-rays) & sẽ xuất hiện chùm tia nhiễu xạ (diffracted beam). Đây chính là hiện tƣợng nhiễu xạ. Góc giữa chùm tia tới & chùm tia nhiễu xạ là 2. Khi xảy ra cộng hƣởng thì khoảng cách (A+B) phải bằng một số nguyên lần bƣớc sóng n.
Mặt khác, xét khoảng cách (A+B), với hai pháp tuyến (wave normal) vuông góc với chùm tia tới và chùm nhiễu xạ, ta có :
Từ đó ta có phƣơng trình :
Đây chính là định luật nhiễu xạ Bragg (Bragg Law) & số nguyên n có liên quan tới cấp độ nhiễu xạ, ví dụ : nếu d001 10Å thì d002 5Å, d003 3.33Å …
2 sin n d 2 sin sin A B A B d d d
Nguyên tắc hoạt động của máy chụp nhiễu xạ tia X :
Tia X đƣợc phát ra từ nguồn (thƣờng là đồng Cu với bƣớc sóng 1.541
Å) đi qua liên tiếp những ống chuẩn trực song song (parallel plate collimators) còn đƣợc gọi là Sollers slit để giảm sự phân kỳ quanh trục (axial divergence) của chùm tia và đi qua khe phân kỳ (Divergence slit) để giảm sự phân kỳ biên (lateral divergence) của chùm tia.
Tiếp đến chùm tia X đƣợc chiếu vào mặt phẳng chứa mẫu (Flat surface of the sample)
& bị nhiễu xạ bởi những tinh thể có định hƣớng thích hợp (suitably oriented crystallites) trong mẫu (ở góc 2), hội tụ thẳng hàng với khe tiếp nhận (Receiving slit) . Một bộ ống chuẩn trực khác (parallel plate collimators) làm giảm sự phân kỳ của chùm tia nhiễu xạ.
Sau đó, chùm nhiễu xạ tiếp tục đi qua khe phân tán (Scatter slit) trƣớc khi đi đến đầu dò (detector) . Đầu dò có tác dụng chuyển các Xray photons thành các tín hiệu có thể tính toán đƣợc trên máy tính.
Hình 1.38 Nguyên tắc hoạt động của máy nhiễu xạ tia X
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
1.4.2 PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA [28] Hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscopy (TEM) là một công cụ rất mạnh trong việc nghiên cứu cấu trúc ở cấp độ nano. Nó cho phép quan sát chính xác cấu trúc nano với độ phân giải lên đến 0,2 nm. Do đó, phƣơng pháp này ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu vật liệu nano.
Nguyên tắc của phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua : trong phƣơng pháp này, hình ảnh thu đƣợc chính là do sự tán xạ của chùm electron xuyên qua mẫu.
Nguyên tắc hoạt động của máy chụp nhiễu xạ tia X : Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính :
Hệ thống chiếu sáng (illumination system)
Hệ thống thấu kính (objective lens and stage)
Hệ thống phân tích ảnh (image system).
Hệ thống chiếu sáng bao gồm : súng phóng chùm electron (Gun) , thấu kính tụ quang (condenser lenses) , màng ngăn (diaphram) .
Hệ thống này có tác dụng chiếu chùm electron lên mẫu (specimen) . Những thấu kính tụ quang sử dụng trƣờng điện từ (electromagnetic field) để tập trung chùm electron.
Chùm electron sẽ bị tán xạ khi đi qua mẫu & đi đến vật kính (Objective lens)
, những hình ảnh đầu tiên về mẫu đƣợc tạo ra trên vật kính này.
Bộ phận điều chỉnh độ mở của vật kính (Objective aperture) sẽ trải (spread of) chùm electron ra & tạo sự tƣơng phản (contrast) cho hình ảnh.
Hệ thống phân tích ảnh sử dụng nhiều thấu kính khác nhau bao gồm intermediate lens & projector lens để phóng đại & tập trung hình ảnh lên màn hình hiển thị (viewing screen) .
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
1.4.3 PHƯƠNG PHÁP PHỔ TỬ NGOẠI VÀ KHẢ KIẾN [9]
Phổ tử ngoại và khả kiến, viết tắt là UV-VIS (Ultraviolet-Visible) là phƣơng pháp phân tích đƣợc sử dụng rộng rãi từ lâu.
Phổ tử ngoại và khả kiến của các hợp chất hữu cơ gắn liền với bƣớc chuyển electron giữa các mức năng lƣợng electron trong phân tử khi các electron chuyển từ các obitan liên kết hoặc không liên kết lên các obitan phản liên kết có mức năng lƣợng cao hơn, đòi hỏi phải hấp thụ năng lƣợng từ ngoài.
Các electron nằm ở obitan liên kết 𝜎 nhảy lên obitan phản liên kết 𝜎∗ có mức năng lƣợng cao nhất, ứng với bƣớc sóng 120 – 150 nm nằm ở vùng tử ngoại xa. Các electron 𝜋 và các electron 𝑝 (cặp electron tự do) nhảy lên obitan phản liên kết 𝜋∗ có mức năng lƣợng lớn hơn, ứng với bƣớc sóng nằm trong vùng tử ngoại (200 – 400 nm) hay vùng khả kiến (400 – 800 nm) tùy theo mạch liên hợp của phân tử.
Bƣớc chuyển dời năng lƣợng : ở điều kiện bình thƣờng, các electron trong phân tử nằm ở trạng thái cơ bản, khi có ánh sáng kích thích với tần số 𝜈 thích hợp thì các electron sẽ hấp thụ năng lƣợng và chuyển lên các trạng thái kích thích có mức năng lƣợng cao hơn. Theo cơ học lƣợng tử, ở trạng thái cơ bản các electron đƣợc sắp đầy vào các obitan liên kết 𝜎, 𝜋 hay 𝑛 có mức năng lƣợng thấp, khi bị kích thích sẽ chuyển lên mức năng lƣợng cao hơn : 𝜎 → 𝜎∗, 𝜋 → 𝜋∗ , 𝑛 → 𝜎∗, 𝑛 → 𝜋∗
Hiệu số mức năng lƣợng giữa hai obitan chính là năng lƣợng hấp thụ từ nguồn sáng kích thích bên ngoài. Hiệu số các mức năng lƣợng này khác nhau. Vì :
∆𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ𝑐 𝜆
Do đó : chiều dài bƣớc sóng của các cực đại hấp thụ sẽ ngƣợc lại : 𝜆𝜎→ 𝜎∗ < 𝜆𝜋→𝜋∗ < 𝜆𝑛→ 𝜎∗ < 𝜆𝑛 →𝜋∗
Bước chuyển dời năng lượng 𝝀 (𝒏𝒎) Năng lƣợng kích thích (E, kcal/mol)
𝝈 → 𝝈∗ 120 230
𝝅 → 𝝅∗ 160 184
𝒏 → 𝝈∗ 180 162
𝒏 → 𝝅∗ 280 82
Xem thêm “Các phương pháp vật lý áp dụng trong hóa học” để tìm hiểu kỹ hơn về phương pháp này.
1.4.4 PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ [3] [28]
Trong phân tích hóa học, phổ hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectroscopy) là một kỹ thuật để xác định nồng độ của một nguyên tố kim loại nào đó trong mẫu. Kỹ thuật này có thể đƣợc sử dụng để phân tích 62 kim loại khác nhau trong cùng 1 dung dịch.
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
Nguyên lý : Kỹ thuật này sử dụng phổ hấp thụ để đánh giá nồng độ của chất cần phân tích trong mẫu. Nó chủ yếu dựa trên định luật Beer-Lambert.
Về cơ bản, các electron của nguyên tử trong một thiết bị nguyên tử hóa
(atomizer) có thể đƣợc kích thích nhảy lên những orbitan cao hơn bằng cách hấp thụ một năng lƣợng nào đó. Lƣợng năng lƣợng này là đặc trƣng cho sự chuyển mức năng lƣợng của electron cụ thể (a particular electron transition) trong một nguyên tố cụ thể (particular element), và mỗi bƣớc sóng tƣơng ứng với duy nhất một nguyên tố.
Với lƣợng năng lƣợng đƣa vào ngọn lửa đƣợc biết trƣớc và lƣợng năng lƣợng còn lại ở đầu bên kia (đầu dò) có thể đo đƣợc, theo định luật Beer-Lambert, ta có thể tính đƣợc số lƣợng chuyển mức năng lượng (transition) đã xảy ra, và từ đó ta biết đƣợc nồng độ của nguyên tố tƣơng ứng cần đo.
Thiết bị : để phân tích thành phần nguyên tử (atomic constituents) của một mẫu, mẫu cần phải đƣợc nguyên tử hóa (be atomized). Sau đó, mẫu sẽ đƣợc chiếu sáng (illuminated by light). Ánh sáng truyền qua đƣợc đo bởi một đầu dò (detector). Để giảm sự ảnh hƣởng của sự bức xạ (emission) từ atomizer hoặc từ môi trƣờng, ngƣời ta thƣờng sử dụng một quang phổ kế (spectrometer) ở giữa atomizer và detector.
Các nguồn năng lƣợng có thể đƣợc sử dụng để tạo thành hơi nguyên tử : hồ quang điện, ngọn lửa & plasma.
Ƣu điểm của phƣơng pháp AAS : dễ thực hiện, tƣơng đối nhanh và độ chính xác tƣơng đối cao, máy móc không quá phức tạp, giá thành phân tích tƣơng đối thấp, do đó AAS là một trong những phƣơng pháp phổ biến để xác định kim loại.
1.4.5 PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ GEL [3]
Sắc ký gel đã đƣợc Mould D.L phát triển từ năm 1954 dùng để tách các hợp chất không mang điện tích theo thứ tự trọng lƣợng phân tử của chúng. Nguyên tắc sắc ký không thay đổi nhƣng tên gọi của chúng thay đổi theo thời gian. Năm 1959, các tác giả Porath và Flodin gọi là Gel filtration; đến năm 1964 Moor gọi là Gel Permeation Chromatography hay Gel Chromatography .
Trong sắc ký gel, pha tĩnh là mạng polimer có lỗ rỗng, các lỗ rỗng này đƣợc phủ đầy bởi dung môi dùng làm pha động. Kích thƣớc của lỗ rỗng phải đồng nhất, bởi vì kỹ thuật sắc ký gel dùng để tách các chất theo trọng lƣợng phân tử. Các phân tử có kích thƣớc lớn hơn lỗ rỗng sẽ không lọt vào bên trong lỗ rỗng (và sẽ bị dòng chảy của dung môi đuổi ra khỏi cột); còn phân tử nào có kích thƣớc nhỏ hơn kích thƣớc của lỗ rỗng sẽ chui vào nằm bên trong lỗ nên bị giải ly ra khỏi cột chậm hơn.
Nhƣ vậy các thành phần khác nhau của hỗn hợp mẫu, khi đi ngang qua cột sẽ ra khỏi cột lần lƣợt theo trọng lƣợng phân tử, phân tử lớn bị giải ly khỏi cột trƣớc và phân tử nhỏ lần lƣợt ra sau.
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
Tất cả các loại phân tử lớn cùng bị giải ly ra khỏi cột một lƣợt nhƣng không thể tách riêng các loại phân tử này. Tƣơng tự các loại phân tử nhỏ chui vào đƣợc trong lỗ gel cũng không thể tách riêng chúng ra đƣợc. Các phân tử có kích thƣớc trung bình sẽ bị giữ lại trong cột tùy theo mức độ chui vào lỗ rỗng của hạt. Nếu các hợp chất có chứa cùng nhóm chức hóa học, chúng sẽ bị giải ly ra khỏi cột theo trọng lƣợng tƣơng đối giữa chúng.
Lực hấp thu trên bề mặt hạt gel đƣợc bỏ qua, và vì thế sắc ký gel đƣợc xem nhƣ một loại sắc ký phân chia. Pha tĩnh lỏng là chất lỏng nằm trong hệ mạng và pha động là dung môi di động, phủ tất cả các phần còn lại trong cột sắc ký. Nói cách khác, đây là loại sắc ký phân chia giữa 2 pha lỏng (pha tĩnh và pha động) mà cả 2 pha có cùng thành phần.
Sắc ký gel đầu tiên đƣợc sử dụng để tách các phân tử sinh học, thí dụ nhƣ hệ gel dextran nối mạng ngang chỉ phù hợp khi giải ly với dung môi là nƣớc. Năm 1964, hệ gel polystyrene nối mạng ngang đƣợc chế tạo với các dung môi hữu cơ và đƣợc sử dụng không những để tách riêng các hợp chất mà còn để xác định một cách tƣơng đối nhanh chóng về trọng lƣợng phân tử của hợp chất.
Các ứng dụng của sắc ký gel :
Tách một hỗn hợp thành các nhóm chất riêng lẻ
Xác định trọng lƣợng phân tử của một hợp chất có trọng lƣợng phân tử lớn
Loại bỏ muối ra khỏi một hợp chất
Loại bỏ các tạp chất ra khỏi một hợp chất đang khảo sát
Chương 2
2.1 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.1.1 NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ & THIẾT BỊ SỬ DỤNG
Các thí nghiệm đƣợc tiến hành tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Nguyên liệu :
- Silver Nitrate – AgNO3 (Merck – Germany) - Nƣớc tinh khiết (Merck – Germany)
- Latex 60% DRC (công ty cao su Nam Cƣờng) - Acid Formic – HCOOH (AR – China)
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
Các dụng cụ và thiết bị đƣợc sử dụng để tiến hành thí nghiệm :
- Erlen 250ml, becher 250ml, đũa khuấy, pipet, ống nhỏ giọt, que trải. - Cân điện tử, máy khuấy từ
- Đèn UVC (5 x 55W – OSRAM – cƣờng độ tập trung) - Tủ sấy
Các thiết bị đƣợc sử dụng trong tạo mẫu & phân tích mẫu :
- Máy cán và ép cao su - Máy XRD (D8 Advance)
Hình 2.2 Nguyên liệu sử dụng
- Máy TEM (JEM – 1400 )
- Máy đo UV-VIS (Varian – Cary100) - Máy GPC (1100 Aglent)
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
2.1.2 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
Sơ đồ 2.1 Quy trình thí nghiệm
Chiếu UV
Nano Ag / Latex
Tạo mẫu để phân tích
Latex AgNO3
Pha loãng Hòa tan
Khuấy trộn H2O Nanocomposite Ag / Cao su Lƣu mẫu XRD Mẫu dày Mẫu màng
Mẫu lỏng TEM, GPC, AAS, Diệt khuẩn
UV-VIS 1 2 3 4 5 6
40g latex (60% DRC) đƣợc pha loãng với 20ml H20 trong erlen (có nắp đậy) và khuấy trong 15’ bằng máy khuấy từ.
Hòa tan 0,04g AgNO3 với 20 ml H2O.
Dung dịch AgNO3 đƣợc nhỏ từ từ (bằng ống nhỏ giọt) vào erlen chứa latex đã chuẩn bị trƣớc đó. Giai đoạn này kéo dài khoảng 10’.
Lƣu ý : ta vẫn tiến hành khuấy trong quá trình nhỏ AgNO3 vào erlen. Sau đó khuấy thêm 20’ nữa.
1 2 3 Hình 6.5 Thí nghiệm – Bước 1 Hình 2.6 Thí nghiệm – Bước 2 Hình 2.7 Thí nghiệm – Bước 3 Hình 2.5 Thí nghiệm – Bước 1
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
Sau quá trình khuấy trộn với mục đích giúp AgNO3 có thể phân tán đều trong latex, đậy kín erlen và tiến hành chiếu UV để khử Ag+ Ag kim loại.
Lƣu ý là tia UV không trực tiếp khử Ag+ Ag kim loại, mà thực tế, tia UV chỉ kích thích để các chất hữu cơ tạo ra các gốc có khả năng khử Ag+ Ag. Nhờ sự có mặt của latex với vai trò là chất bảo vệ, các hạt Ag kim loại tạo thành sẽ có kích thƣớc trong thang nano.
Trong quá trình chiếu, ta tiến hành khuấy chậm để tránh việc các hạt Ag kim loại tụ lại thành hạt lớn. Màu của hỗn hợp sẽ trở nên đậm dần, sau đó sẽ không thay đổi nữa. Đó là lúc ta dừng chiếu. Trong thí nghiệm tiến hành, thời gian chiếu vào khoảng 2h30 – 3h.
Tùy vào mục đích sử dụng trong thực tế mà ta sẽ giữ sản phẩm tạo thành ở dạng lỏng (nano Ag / latex) hoặc có thể đánh đông (bằng acid formic hoặc acid acetic) để tạo thành nanocomposite Ag / Cao su thiên nhiên.
Ta cho mẫu vào chai để lƣu mẫu.
4
5
Hình 2.8 Thí nghiệm – Bước 4
Tiếp theo là quá trình chế tạo mẫu và tiến hành phân tích kết quả. Đây là quá trình rất quan trọng vì nó giúp đánh giá kết quả của quá trình tổng hợp ở trên và cung cấp những số liệu có ý nghĩa khoa học. Tùy vào phƣơng pháp phân tích mà ta sẽ chế tạo mẫu cho phù hợp. Nhìn chung, ta cần chế tạo 3 loại mẫu để phục vụ cho việc phân tích : mẫu lỏng, mẫu màng và mẫu dày.
Mẫu lỏng : mẫu này có đƣợc trực tiếp ở bƣớc 5 (xem hình 4.9 ở trang trước).
Mẫu lỏng đƣợc sử dụng để phân tích TEM, GPC, AAS và phân tích khả năng diệt khuẩn .
Mẫu màng mỏng : đƣợc chế tạo bằng cách nhỏ hỗn hợp nano Ag/LNR lên tấm lam và dùng que trải để tạo màng mỏng. Sau đó, tiến hành sấy ở 40C trong 5h, latex sẽ đông lại thành màng mỏng cao su và có màu vàng.
6
Phân tích TEM (kính hiển vi điện tử truyền qua) được tiến hành tại phòng thí nghiệm trọng điểm – Đại học Bách Khoa TPHCM
Phân tích GPC được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Trung tâm – Đại học khoa học tự nhiên TPHCM
Phân tích AAS được tiến hành tại Trung tâm Dịch vụ phân tích thí nghiệm TPHCM (ASE)
Phân tích khả năng diệt khuẩn được tiến hành tại Phòng thí nghiệm CN nano – ĐHQG TPHCM bởi 2 cử nhân sinh họcNguyễn Hồ Tú Uyên và Phan Huệ Phương
Chương 3 : Kết quả & bàn luận
Mẫu màng mỏng này đƣợc sử dụng để phân tích UV-VIS.
Mẫu dày : Đầu tiên tiến hành đánh đông latex cao su thiên nhiên bằng acid