Kỹ thuật EDX chủ yếu đƣợc thực hiện trong các kính hiển vi điện tử ở đó, ảnh vi c u trúc vật rắn đƣợc ghi lại thơng qua việc sử dụng chùm điện tử có n ng lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn. Khi chùm điện tử có n ng lƣợng lớn đƣợc chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tƣơng tác với các lớp điện tử ên trong của nguyên tử. Tƣơng tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có ƣớc sóng đặc trƣng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley:
Có ngh a là, tần số tia X phát ra là đặc trƣng với nguyên tử của mỗi ch t có mặt trong ch t rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ lệ thành phần các nguyên tố này.
28
Hình 2.11 Sơ đồ ngun lý ghi nhận tín hiệu phổ EDX trong SEM
Có nhiều thiết ị phân tích EDX nhƣng chủ yếu EDX đƣợc phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ở đó các phép phân tích đƣợc thực hiện nhờ các chùm điện tử có n ng lƣợng cao và đƣợc thu hẹp nhờ hệ các th u kính điện từ. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (n ng lƣợng photon tia X) trải trong một vùng rộng và đƣợc phân tich nhờ phổ kế tán sắc n ng lƣợng do đó ghi nhận thơng tin về các nguyên tố cũng nhƣ thành phần. Kỹ thuật EDX đƣợc phát triển từ những n m 1960s và thiết ị thƣơng phẩm xu t hiện vào đầu những n m 1970s với việc sử dụng detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge.
Tia X phát ra từ vật rắn (do tƣơng tác với chùm điện tử) sẽ có n ng lƣợng iến thiên trong dải rộng, sẽ đƣợc đƣa đến hệ tán sắc và ghi nhận (n ng lƣợng) nhờ detector dịch chuyển (thƣờng là Si, Ge, Li...) đƣợc làm lạnh ằng nitơ lỏng, là một con chip nhỏ tạo ra điện tử thứ c p do tƣơng tác với tia X, rồi đƣợc lái vào một anốt nhỏ. Cƣờng độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyên tố có mặt trong mẫu. Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của detector).
Độ chính xác của EDX ở c p độ một vài phần tr m (thông thƣờng ghi nhận đƣợc sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên). Tuy nhiên, EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thƣờng xu t hiện hiệu ứng trồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thƣờng phát ra nhiều đỉnh đặc trƣng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó kh n cho phân tích).
29
Hình 2.12 Máy phân tích EDX
Hình thái của ề mặt các mẫu vật liệu và iến đổi thành phần phân tử C, O, N, Ag của nó đo ằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) đƣợc kết nối với máy quang phổ tia X phân tán n ng lƣợng (EDX) (hệ thống Hitachi JEOL-JSM-6700F, Nhật Bản).
2.2 Quy trình thực nghiệm
2.2.1 Tổng hợp graphene oxide (GO) từ graphite
GO đƣợc tổng hợp từ graphite theo phƣơng pháp Hummers cải tiến nhƣ sau: hỗn hợp đậm đặc 9:1 của H2SO4/H3PO4 (360:40 mL) đƣợc thêm vào hỗn hợp của graphite (3.0 g) và KMnO4 (18.0 g), tạo ra một sự tỏa nhiệt nhẹ khoảng 35-40 °C. Phản ứng sau đó đƣợc gia nhiệt đến 50 °C và khu y trong 12 giờ. Hỗn hợp đƣợc làm lạnh đến nhiệt độ phòng và đổ vào nƣớc đá (400 mL) với H2O2 30% (3 mL). Sản phẩm đƣợc lọc và ly tâm (4000 vịng/phút trong 4h), và phần nổi phía trên đƣợc loại ỏ. Phần vật liệu rắn cịn lại sau đó đƣợc rửa liên tiếp với 200 mL nƣớc, 200 mL HCl 30% và 2x200 mL ethanol. Vật liệu tiếp tục đƣợc phân tán trong 200 mL ether, và hỗn hợp huyền phù đƣợc lọc qua màng PTFE với kích thƣớc lỗ 0,45 µm. GO thu đƣợc đem s y chân khơng ở nhiệt độ phịng, thu đƣợc 5.8 g.
30
31
Hình 2.14 Sơ đồ quy trình tổng hợp graphene oxide từ graphite
2.2.2 Chức hóa GO với maleic anhydride (MA) trong DES
Đầu tiên DES đƣợc chuẩn ị ằng hỗn hợp choline chloride: ZnCl2 (tỉ lệ mol 1:2). Quy trình chức hóa để tạo những nhóm anhydride trên ề mặt GO đƣợc thực hiện nhƣ sau: GO (100 mg) đƣợc phân tán trong hỗn hợp của DES (3.0 g) và nƣớc khử
32
ion (3.0 ml) chứa maleic anhydride (800 mg). Hỗn hợp đƣợc siêu âm ở nhiệt độ 65oC trong 8 giờ để phản ứng Diels-Alder xảy ra giữa MA và GO. Sản phẩm đƣợc lọc, rửa nhiều lần với nƣớc, methanol, và s y chân không đến khi khối lƣợng khơng đổi.
Hình 2.15 Tổng hợp GO-MA trong DES dƣới sự hỗ trợ của sóng siêu âm
33
Hình 2.17 Sơ đồ quy trình chức hóa GO với DES
2.2.3 Tổng hợp GO-Polymaleicamide một tầng (GO-PMAAM-G1.0)
Hỗn hợp GO-MA (130 mg) đƣợc phân tán trong methanol (5 ml) dƣới sự hỗ trợ của siêu âm ở nhiệt độ phòng trong 5 phút để GO-MA phân tán hồn tồn trong methanol. Sau đó, khí nitơ đƣợc sục qua hỗn hợp trong vòng 15 phút để tạo môi trƣờng trơ. Ethylenediamine (EDA) (2 ml) đƣợc tiêm từ từ vào ằng một xy lanh trong khi hỗn hợp đƣợc khu y và tiếp tục giữ dòng nitơ trong vòng 10 phút. Hỗn hợp tiếp tục đƣợc khu y qua đêm để phản ứng xảy ra hồn tồn. Sau đó sản phẩm đƣợc rửa ly tâm với ethanol. Sản phẩm GO-Polymaleicamide một tầng (GO- PMAAM-G1.0) đƣợc s y ở 45 °C đến khi khối lƣợng khơng đổi.
34
Hình 2.18 Tổng hợp GO-Polymaleicamine một tầng (GO-PMAAM-G1.0)
35
2.2.4 Tổng hợp GO-Polymaleicamine hai tầng (GO-PMAAM-G2.0)
GO-PMAAM-G1.0 (165 mg) đƣợc phân tán trong methanol (2.5 ml) dƣới sự hỗ trợ của siêu âm ở nhiệt độ phòng trong 5 phút. Tiếp theo, hỗn hợp của MA (200 mg) và methanol (2.5 ml) đƣợc thêm vào hỗn hợp trên trong lúc hỗn hợp đồng thời đƣợc khu y. Hỗn hợp đƣợc chuyển vào mơi trƣờng khí trơ ằng cách cho dịng nitơ đi qua hỗn hợp trong 30 phút. Hỗn hợp đƣợc khu y qua đêm. Sản phẩm đƣợc rửa ly tâm lần lƣợt ằng nƣớc và ethanol. Sản phẩm đƣợc s y đến khối lƣợng không đổi thu đƣợc GO-PMAAM-G1.5. Quá trình tổng hợp GO-PMAAM-G2.0 đƣợc tiến hành tƣơng tự nhƣ khi tổng hợp GO-PMAAM-G1.0 ằng phản ứng giữa GO- PMAAM-G1.5 và EDA.
36
Hình 2.21 Sơ đồ quy trình tổng hợp GO-PMAAM-G2.0
2.2.5 Tổng hợp GO-Polymaleicamine ba tầng (GO-PMAAM-G3.0)
Quy trình tổng hợp GO-PMAAM-G3.0 đƣợc tiến hành tƣơng tự nhƣ các ƣớc tổng hợp GO-PMAAM-G2.0.
37
38
Hình 2.23 Sơ đồ quy trình tổng hợp GO-PMAAM-G3.0
2.2.6 Tổng hợp AgNPs/GO-PMAAM
AgNPs/GO-PMAAM đƣợc tổng hợp từ GO-PMAAM và dung dịch AgNO3. Đầu tiên, GO-PMAAM (20 mg) đƣợc thêm vào trong erlen có chứa dung mơi DMF (15 mL), siêu âm để mẫu phân tán đều. Đặt erlen lên ếp khu y từ vừa nhỏ giọt từ từ 10 mL AgNO3 0.1 N vào erlen. Sau đó erlen đƣợc đặt vào uồng tối vừa khu y từ vừa chiếu đèn có dãy ƣớc sóng ánh sáng từ 400 đến 800 nm trong 2 giờ. Sản phẩm
39
đƣợc lọc, rửa lại với nƣớc và ethanol để loại ỏ AgNO3 còn dƣ, mẫu đƣợc s y ở 45 °C đến khối lƣợng không đổi thu đƣợc AgNPs/GO-PMAAM.
40
Hình 2.25 Quy trình tổng hợp AgNPs/GO-PMAAM
2.2.6.1 Khảo sát hoạt tính xúc tác của AgNPs/GO-PMAAM
Khảo sát phản ứng giữa NaBH4 và 4-NP:
Để đánh giá hoạt tính xúc tác của AgNPs/GO-PMAAM, ta thực hiện khảo sát phản ứng khử 4-nitrophenol (4-NP) ằng NaBH4 với sự có mặt của AgNPs/GO- PMAAM-G1.0, AgNPs/GO-PMAAM-G2.0, và AgNPs/GO-PMAAM-G3.0.
41
Phản ứng đƣợc thực hiện trong cuvet thạch anh. Để tiến hành khảo sát, ta cho vào cuvet 2.0 ml dung dịch 4-NP nồng độ 1.0 mM, 1.0 ml dung dịch NaBH4 0.1 M và 1 mg vật liệu xúc tác. Nồng độ 4-NP thay đổi theo thời gian đƣợc xác định ằng phổ UV-vis ởi máy quang phổ UV-Vis (METASH-Trung Quốc) tại ƣớc sóng 400 nm đặc trƣng cho peak h p thu cực đại của 4-NP và tại 300 nm đặc trƣng cho peak h p thu cực đại của 4-aminophenol (4-AP).
Hiệu quả quá trình khử 4-NP ằng vật liệu xúc tác đƣợc tính theo phƣơng trình sau:
Với:
là độ h p thu an đầu t=0 tại ƣớc sóng 400 nm. là độ h p thu tại thời điểm t phản ứng.
Khảo sát khả n ng tái sử dụng của xúc tác:
Để khảo sát khả n ng tái sử dụng của vật liệu xúc tác, AgNPs/GO-PMAAM sau quá trình phản ứng đƣợc thu hồi, rửa sạch, và tái sử dụng cho quy trình phản ứng tƣơng tự tiếp theo. Các điều kiện phản ứng, nồng độ 4-NP cũng nhƣ 4-AP đƣợc thiết lập và ghi nhận tƣơng tự trên. Quá trình tái sử dụng đƣợc thực hiện lặp lại nhiều lần để đánh giá khả n ng tái sử dụng của xúc tác.
2.2.6.2 Khảo sát hoạt tính sinh học của vật liệu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0
Tiến hành khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 trên một số loại vi khuẩn gây hại cho sức khỏe con ngƣời cũng nhƣ thực vật đƣợc nghiên cứu phổ iến ở nƣớc ta cũng nhƣ trên thế giới, cụ thể ao gồm các chủng vi khuẩn Gram dƣơng Staphylococcus aureus (S. aureus) và Bacillus cereus (B. cereus); chủng vi khuẩn Gram âm là Escherichia coli (E. coli).
42
Sử dụng phƣơng pháp đo vòng kháng khuẩn để khảo sát khả n ng kháng khuẩn của vật liệu tổng hợp. Mẫu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 ở nồng độ 1.5 mg/mL đƣợc khảo sát khả n ng kháng khuẩn với các chủng vi khuẩn gây ệnh ằng phƣơng pháp khuếch tán đ a thạch, đƣợc đối chứng với dung mơi pha lỗng mẫu dimethyl sulfoxit (DMSO) là đối chứng âm và kháng sinh streptomycin nồng độ 0.1 mg/mL là đối chứng dƣơng, phƣơng pháp khuếch tán đ a thạch theo Dhanasekaran.
Dùng pipet hút 100 μL vi khuẩn mỗi loại (mật độ tế ào 106 CFU/mL), sau đó chang đều trên mặt thạch MHB (Mueller Hinton Broth) đã khô ổn định, chờ khô ề mặt. Tiến hành đục giếng và cho lần lƣợt 50 μL DMSO, streptomycin, mẫu AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 vào giếng, chuyển các đ a petri vào tủ lạnh (10 °C) khoảng 4 – 8 giờ để tinh dầu khuếch tán ra thạch. Sau đó đem ni ở 37 °C trong 24 giờ, đƣờng kính vịng vơ khuẩn (D-d) đƣợc xác định ằng đƣờng kính vịng kháng ngồi trừ đi đƣờng kính giếng.
Trong đó:
r: Đƣờng kính vịng kháng khuẩn (mm).
D: Đƣờng kính vịng kháng khuẩn ( ao gồm đƣờng kính giếng thạch) (mm). d: Đƣờng kính giếng thạch (mm).
Xác định nồng độ ức chế tối thiểu MIC:
Phƣơng pháp pha loãng mẫu với các nồng độ khác nhau trên đ a 96 giếng và ch t chỉ thị màu resazurin đƣợc sử dụng để xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, Minimum Inhi itory Concentration) và nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (MBC, Minimum Bactericidal Concentration). Để khảo sát hoạt tính kháng khuẩn, mẫu đƣợc pha loãng trong dung dịch DMSO thành các nồng độ khảo sát từ 0,1875 – 3 mg/mL sao cho nồng độ DMSO không vƣợt quá 5%. Dịch vi khuẩn đƣợc nuôi c y qua đêm và đƣợc pha loãng sao cho mật độ đạt: 105– 106
43
Mỗi giếng gồm 20 L dịch vi khuẩn và 25 L mẫu thử ở các nồng độ pha loãng khác nhau trong dung dịch DMSO. Các giếng đối chứng chứa dịch vi khuẩn, mẫu và DMSO. Mỗi nghiệm thức đƣợc lặp lại 2 lần. Các đ a thử nghiệm và đối chứng sau đó đƣợc ủ ở 37 °C. Sau 24 giờ, 30 µL thuốc thử resazurin 0.15 mg/mL đƣợc cho vào mỗi giếng. Quan sát sự thay đổi màu, ghi nhận giá trị MIC.
Ch t chỉ thị resazurin có màu xanh trong dung dịch. Các giếng có sự đổi màu của dung dịch resazurin từ màu xanh sang màu hồng cho th y có sự t ng trƣởng của vi khuẩn trong giếng. Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) đƣợc định ngh a là nồng độ th p nh t trong dãy nồng độ thử nghiệm của mẫu có thể ức chế sự t ng trƣởng của vi khuẩn (không làm đổi màu resazurin).
44
CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1 Kết quả tổng hợp GO
Mẫu GO sau khi đƣợc tổng hợp từ graphite với phần tr m t ng khối lƣợng đƣợc thể hiện ở ảng dƣới đây.
Bảng 3.1 Hiệu su t tổng hợp GO
Mẫu Khối lƣợng graphite
(g) Khối lƣợng GO (g) Phần trăm tăng khối lƣợng (%)
1 1.002 1.502 49.9
2 1.007 1.467 45.68
3 1.013 1.558 53.8
Hình 3.1 Hình ảnh mẫu GO tổng hợp ằng phƣơng pháp Hummers cải tiến Dựa vào kết quả phần tr m t ng khối lƣợng vật liệu khi tổng hợp GO từ graphite ta Dựa vào kết quả phần tr m t ng khối lƣợng vật liệu khi tổng hợp GO từ graphite ta nhận th y hiệu su t tổng hợp GO là khá ổn định, khối lƣợng GO sau tổng hợp t ng khoảng 1.5 lần so với lƣợng graphite an đầu. Kết quả này có thể đƣợc giải thích ởi sự tham gia của ngun tố oxy hình thành của các nhóm chức chứa oxy nhƣ - COOH, -COH, -OH, -epoxy, aldehyde trên ề mặt GO. Hình 3.1 thể hiện hình ảnh
45
GO sau tổng hợp ta nhận th y GO dạng những t m mỏng so với dạng ột graphite an đầu, chứng tỏ quá trình tách lớp thành cơng ằng phƣơng pháp Hummers cải tiến.
3.2 Q trình chức hóa GO với MA trong chất lỏng ion DES
Mẫu GO-MA sau khi đƣợc chức hóa xong khối lƣợng t ng lên đƣợc thể hiện ở ảng dƣới đây. Bảng 3.2 Hiệu su t tổng hợp GO-MA Mẫu Khối lƣợng GO (g) Khối lƣợng GO-MA (g)
Phần trăm tăng khối lƣợng (%)
1 0.102 0.133 30.39
2 0.105 0.135 28.57
3 0.101 0.130 28.71
Quá trình iến tính GO với MA đƣợc thực hiện trong DES dƣới sự hỗ trợ của sóng siêu âm ở 65 ℃. Sau khi phản ứng kết thúc, DES đƣợc loại sạch hoàn toàn để thu vật liệu GO-MA, sau đó GO-MA đƣợc s y khơ đến khối lƣợng khơng đổi. Dựa vào kết quả tổng hợp GO-MA ở ảng 3.2 ta nhận th y khối lƣợng vật liệu GO-MA t ng khoảng 28% so với vật liệu GO an đầu. Điều này cho th y MA đã đƣợc chức hóa thành cơng lên ề mặt vật liệu GO thông qua phản ứng Diels-Alder trong môi trƣờng ch t lỏng ion thế hệ mới (DES). Đây là điểm mới trong nghiên cứu này so với các phƣơng pháp truyền thống trƣớc đây, chức hóa ề mặt GO ằng các tác nhân có tính acid mạnh và điều kiện phản ứng khắc nghiệt. Quy trình chức hóa thành cơng MA trên ề mặt GO này sẽ mở ra những hƣớng mới cho những ƣớc tiếp theo đối với quy trình iến tính GO đem lại hàng loạt các ứng dụng.
46
3.3 Kết quả tổng hợp GO-polymaleicamine ba nhánh (GO-PMAAM-G3.0)
3.3.1 Kết quả tổng hợp GO-PMAAM-G1.0
Hiệu quả q trình chức hóa GO-MA ằng EDA để tạo thành GO-PMAAM (đƣợc ký hiệu GO-PMAAM-G1.0 cho lần chức hóa đầu tiên) đƣợc thể hiện nhƣ ảng sau.
Bảng 3.3 Hiệu su t tổng hợp GO-PMAAM- G1.0
Mẫu Khối lƣợng GO-MA (g) Khối lƣợng GO- PMAAM-G1.0 (g) Phần trăm tăng khối lƣợng (%) 1 0.131 0.165 25.95 2 0.135 0.163 20.74 3 0.132 0.165 25.0
Dựa vào kết quả tổng hợp từ ảng 3.3 ta nhận th y khối lƣợng vật liệu sản phẩm t ng lên khoảng 20% sau khi chức hóa GO-MA với EDA để hình thành GO- PMAAM-G1.0 điều này đã chứng tỏ phản ứng xảy ra thành công giữa các nhóm car oxylic của MA và nhóm amine của EDA. Trong q trình thực hiện phản ứng lƣợng tỷ lệ mol nhóm amine của EDA đƣợc cho dƣ so với nhóm car oxylic của GO-MA. Mục đích của việc này là tạo ra một lƣợng lớn các nhóm amine dƣ trên ề mặt GO-PMAAM-G1.0 cho quá trình thực hiện phản ứng ở ƣớc tiếp theo.
3.3.2 Kết quả tổng hợp GO-PMAAM-G2.0
Mẫu GO-PMAAM-G2.0 sau khi đƣợc tổng hợp có phần tr m t ng khối lƣợng đƣợc thể hiện ở ảng 3.4 sau:
47
Bảng 3.4 Hiệu su t tổng hợp GO-PMAAM-G2.0
Mẫu Khối lƣợng GO- PMAAM-G1.0 (g) Khối lƣợng GO- PMAAM-G2.0 (g) Phần trăm tăng