Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
3.5 So sánh quá trình tạo Nano bạc trong ba trường hợp: Ag_PEG, Ag_MMT và Ag_PEG_MMT
Ag_PEG_MMT
Với điều kiện phản ứng đã nêu ở những phần trước (nhiệt độ, áp suất bình thường, tỷ lệ khử NaBH4/Ag+
=2, khử trong 1h30’), chúng tôi đã tiến hành khảo sát hai trường hợp có và khơng có sự hiện diện của PEG, để theo dõi sự khác biệt về hình dáng, kích thước cũng như độ phân bố của các hạt Nano bạc khi có thêm chất bảo vệ PEG. Ngồi ra, Ag_PEG cũng được thực hiện bằng cách giữ nguyên tỷ lệ của Ag và PEG giống như hai trường hợp có đất sét, tiến hành khử bằng NaBH4 với điều kiện tương tự để dùng làm so sánh, tìm hiểu tác dụng của MMT lên sự hình thành của nano bạc.
Kết quả UV- VIS:
Ag_PEG_MMT Ag_ MMT Ag_PEG
Khi chỉ được bảo vệ bằng PEG, đỉnh hấp thụ của bạc nằm ở vị trí 394nm, hình dạng thấp, khơng nhọn do khi này các hạt chưa có sự đồng đều về kích thước. Khi hạt nano bạc được bảo vệ bằng MMT, đỉnh bạc dời về vị trí 391nm , chứng tỏ hạt tạo được đã có kích thước nhỏ hơn, đồng thời cũng đồng đều nhau hơn, điều này cho thấy MMT bảo vệ hạt nano bạc tốt hơn PEG. Tuy nhiên, khi kết hợp MMT và PEG trong việc chế tạo hạt nano bạc thì có kết quả tốt hơn (về kích thước, độ đồng đều, mật độ) khi so với hạt nano bạc được hình thành bằng sự bảo vệ đơn lẻ của PEG hoặc MMT, minh chứng là đỉnh bạc ở trường hợp này nhọn nhất, cao nhất, cũng như nằm ở vị trí thấp nhất (388 nm) khi so với hai trường hợp còn lại.
Kết quả XRD :
Hình 35. Giản đồ XRD của Ag_MMT và Ag_PEG_MMT
Ag_PEG_MMT Ag_MMT
Ag_PEG_MMT Ag_MMT
Kết quả XRD cho thấy khi có PEG thì khoang sét được nong lên cao hơn, do có sự hiện diện của PEG và nano bạc trong khoang (chủ yếu khoang nong lên do tác dụng của PEG). Cả hai trường hợp đều có xuất hiện đỉnh hấp thụ của bạc tại hai vị trí 2θ = 380 ,440
Dùng cơng thức Scheerer, ta tính được kích thước trung bình của Ag_MMT là 26nm, cịn Ag_PEG_MMT là 21nm. Kích thước tinh thể của bạc trong Ag_PEG_MMT nhỏ hơn trong Ag_MMT.
Ag_MMT Ag_PEG_MMT
Ag_MMT Ag_PEG_MMT
AgPEG Ag_PEG_MMT
Hình 38. Ảnh TEM của Nano bạc trong các hệ Ag_PEG, Ag_MMT và Ag_PEG_MMT
Các ảnh TEM đã khẳng định các hạt nano bạc tạo thành trên hệ MMT và PEG có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với hai trường hợp hạt nano bạc chỉ được bảo vệ bằng MMT hay PEG riêng lẻ. Khi thay đổi hàm lượng AgNO3 ban đầu (5%, 10%) thì PEG vẫn chứng tỏ được vai trị của mình trong sự hình thành của nano bạc. Ngồi ra, có thể thấy rằng khi chỉ dùng một chất bảo vệ thì MMT tốt hơn so với PEG, cả kết quả
TEM và UV-VIS đều cho thấy điều này. Như vậy, các kết quả TEM hoàn toàn phù hợp với các kết quả của UV-VIS, AAS, XRD.
Hình 39. Nano bạc hình thành trong khoang sét
Hình trên là một minh chứng cho việc nano bạc có hình thành trong khoang MMT, những hạt nano bạc nằm trong khoang có kích thước rất nhỏ, khoảng từ 0.8nm – 1.2nm, chứng tỏ được vai trị của PEG cho q trình chế tạo nano bạc trên giá mang MMT. Đây là một kết quả mới so với các cơng trình khác làm về nano bạc trên giá mang MMT, cho thấy sự hiệu quả của việc kết hợp giữa MMT và PEG trong sự hình thành hạt nano bạc.
Mật độ phân bố và kích thước trung bình của các hạt nano bạc tạo thành trong hai trường hợp được tính tốn bằng phần mềm ImageJ (1.43u) dựa trên trên ảnh TEM của các mẫu:
Hình 40. Sự phân bố kích thước hạt Nano bạc tạo thành trong Ag_MMT
Hình 41. Sự phân bố kích thước hạt Nano bạc tạo thành trong Ag_PEG_MMT
Ta thấy trong cả hai trường hợp, khi cho PEG vào đều làm giảm kích thước của hạt nano bạc đi khá nhiều. Kích thước hạt trung bình đạt được của Ag_MMT vào khoảng 12.5 nm (dao động từ 5nm tới 50nm), còn đối với Ag_PEG_MMT là 4.6 nm (dao động từ 1nm – 25nm). Khi khơng có PEG, kích thước hạt trung bình nhiều nhất là khoảng từ 5nm-10nm (37%), 0-5nm (20%). Khi có sự hiện diện của PEG, kích thước trung bình giảm xuống rõ rệt, 72% các hạt nano bạc tạo thành có kích thước <6nm, đa
20 37 15 7 6 4 4 3 1 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50 Tần suất( %) Kích thước hạt (nm) Ag_MMT 26 28 18 9 6 5 3 2 1 2 0 5 10 15 20 25 30 0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18 18-20 Tần suất (%) Kích thước hạt (nm) Ag_PEG_MMT
số các hạt đều có kích thước nhỏ, hạt nhỏ hơn 2nm cũng chiếm 26% tổng số hạt, đây là một kết quả tốt hơn khi so với mẫu chưa có PEG.
Kết quả AAS :
Bảng 6. Phân tích hàm lượng Ag bằng phổ hấp thụ nguyên tử
Thí nghiệm với nồng độ AgNO3 ban đầu là 5%wt
%wt Ag trên MMT (± 0.01)
Ag_MMT 3.54
Ag_PEG_MMT 4.62
Hàm lượng bạc ở mẫu có PEG cao hơn, chứng tỏ được vai trị của PEG trong việc giữ hạt nano bạc trong khoang sét MMT. Vì các hạt nano bạc chỉ nằm ở hai vị trí là hấp phụ trên bề mặt khoáng sét và bên trong khoang sét, nên khi hàm lượng của mẫu PEG cao hơn Ag_MMT, điều này cho thấy lượng nano bạc nằm trong khoang sét của mẫu có PEG là cao hơn. Vì các điều kiện trên bề mặt của MMT không thay đổi, nên lượng bạc hấp phụ trên bề mặt sẽ khơng có khác biệt giữa có và khơng có PEG. Khác biệt sẽ đến từ bên trong khoang sét vì PEG đều nằm trong khoang. Sự chênh lệch giữa hai kết quả chính là lượng nano bạc nằm trong khoang sét, chiếm khoảng 1% về khối lượng của khoáng sét MMT.
Các kết quả trên đều cho thấy, khi cho PEG vào quá trình phản ứng, sẽ làm tăng lên hiệu quả trong việc hình thành Nano bạc, từ kích thước, hình dáng, độ phân bố đến hàm lượng của Ag trong MMT. Ảnh TEM cũng cho thấy bằng chứng về việc đã có những hạt Nano bạc nằm trong khoang sét, điều mà chưa bài báo nào trong và ngoài nước đề cập đến. Mặc dù lượng Nano bạc nằm trong khoang sét chưa nhiều, chủ yếu vẫn hấp phụ ở bề mặt ngoài, nhưng đây cũng sẽ là một tiền đề tốt để nghiên cứu, tìm ra cách để đưa các hạt Nano bạc vào trong khoang MMT nhiều hơn trong tương lai.
3.6 Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của vật liệu Ag_MMT_PEG:
Khả năng kháng khuẩn của Nano bạc trên giá mang MMT đã được nhiều bài báo cũng như cơng trình nghiên cứu chứng minh [21, 22]. Ta cũng biết nguyên lý diệt khuẩn của Nano bạc là các hạt Nano có kích thước cực nhỏ phá hủy màng của các tế
hưởng, có giảm đi khi so với Nano bạc bình thường khơng, đó là điều chúng tơi muốn tìm hiểu.
Khuẩn Escherichia coli (E.coli) được chọn để làm thử nghiệm, là một trong những lồi vi khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của động vật máu nóng (bao gồm chim và động vật có vú). Sự có mặt của E.coli trong nước ngầm là một chỉ thị thường gặp cho ô nhiễm phân, thường được sử dụng làm sinh vật mơ hình cho các nghiên cứu về vi khuẩn.
Hai nồng độ 10-4 và 10-6 được chọn để thực hiện thử nghiệm, do 10-6 là dịch khuẩn có nồng độ khuẩn E.coli thấp, dễ đếm các khuẩn lạc sau khi hình thành, dễ tính được % diệt khuẩn của dd Nano bạc . Cịn nồng độ 10-4
, ngồi việc kiểm nghiệm khả năng diệt khuẩn của dd Ag ở mật độ khuẩn E.coli cao hơn, còn thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của dd Nano bạc sau khi khuẩn E.coli đã được trải trên môi trường (nồng độ cao hơn, dẫn đến dễ nhận thấy sự khác biệt giữa nơi khuẩn hình thành và nơi khuẩn khơng hình thành được). Chúng tơi khơng chọn nồng độ từ 10-1
đến 10-3 vì khi đó, mật độ khuẩn E.coli sẽ rất nhiều , khó khăn cho việc quan sát, đánh giá khả năng diệt khuẩn E.coli của dung dịch Nano bạc.
Nồng độ pha loãng (10-4) Nồng độ pha loãng (10-6)
Sau khi trải khuẩn, dung dịch đối chứng và dung dịch đã qua xử lý bằng nano bạc đều khơng có khác biệt nhiều. Sau đó, tất cả đều được ủ trong tủ điều nhiệt ở 370C. Sau 24h, lấy ra quan sát kết quả, ta có kết quả như sau:
Mẫu đối chứng (10-4) Mẫu đối chứng (10-6)
Hình 43. Khuẩn E.coli sinh sơi trên các mẫu đối chứng
Ở hai mẫu trên, ta thấy có rất nhiều đốm vàng nằm rải rác, mật độ khuẩn ban đầu càng cao, thì các đốm vàng càng nhiều. Mỗi một đốm vàng là một quần thể vi khuẩn đã được hình thành từ một khuẩn E.coli ban đầu. Đây là sự phát triển bình thường của khuẩn E.coli trong điều kiện bình thường.
Từ hình mẫu đối chứng ở nồng độ pha lỗng là 10-6, ta có thể tính được mật độ của khuẩn E.coli ban đầu trong dung dịch khuẩn gốc vào khoảng 2,3.109 (CFU/ml).
Mẫu được xử lý bằng nano bạc (10-4) Mẫu được xử lý bằng nano bạc (10-6)
Hình 44. Khuẩn E.coli bị diệt hồn toàn ở các mật độ khác nhau
Hai mẫu trên đã chứng tỏ được khả năng diệt khuẩn của nano bạc, không hề thấy một dấu hiệu nào về sự hình thành của khuẩn E.coli (khơng có sự xuất hiện của các đốm vàng). Có thể thấy khả năng diệt khuẩn của nano bạc lên tới 100% sau khi được xử lý qua dung dịch nano bạc (nồng độ 10ppm) chỉ trong 10 phút.
Hình 45. Vị trí nhỏ dung dịch nano bạc lên có sự khác biệt rõ rệt
Dung dịch nano bạc được nhỏ lên môi trường khuẩn E.coli đang phát triển vẫn chứng tỏ được ưu thế của mình. Thí nghiệm trên đã chứng tỏ cho chúng ta thấy khả
năng diệt khuẩn vượt trội của Ag_MMT_PEG. Nano bạc trong giá mang Montmorillonite vẫn giữ được đặc tính diệt khuẩn của mình dù với nồng độ rất thấp (10 ppm).
Kết quả đạt được rất khả quan. Dung dịch Nano Ag diệt hoàn toàn 100% khuẩn E.coli ở cả hai nồng độ pha lỗng 10-4 và 10-6. Ngồi ra, khi dùng một giọt dung dịch Nano bạc nhỏ lên môi trường khuẩn E.coli đang phát triển thì tại vùng đó, vi khuẩn cũng bị diệt hoàn toàn, rất dễ nhận thấy điều này qua hình chụp. Các kết quả cho thấy khả năng diệt khuẩn của Nano bạc vẫn được giữ nguyên, cho kết quả rất tốt khi thử nghiệm với khuẩn E.coli, điều này mở ra nhiều ứng dụng của vật liệu mới này trong đời sống. Nhất là dùng để khử trùng nước ở các nơi thiếu điều kiện sử dụng nước máy như thôn quê, vùng sâu, vùng xa.