5. Ý ng ha thực tiễn của đề tài
2.2 Quy trình thực nghiệm
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 dòng 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 khơng 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 ni c y qua đêm và đƣợc pha lỗng 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 nguyên 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
Q 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 tồn để thu vật liệu GO-MA, sau đó GO-MA đƣợc s y khô đến khối lƣợng không 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 khối lƣợng (%) 1 0.193 0.223 15.54 2 0.190 0.221 16.32 3 0.195 0.227 16.41
Dựa vào ảng 3.4 ta nhận th y hiệu quả quá trình tổng hợp GO-PMAAM-G2.0 là tƣơng đối ổn định. Tƣơng tự nhƣ trên GO-PMAAM-G2.0 cũng mang một tỷ lệ lớn các nhóm amine trên ề mặt nhằm chuẩn ị cho q trình chức hóa tiếp theo với MA.
3.3.3 Kết quả tổng hợp GO-PMAAM-G3.0
Mẫu GO-PMAAM-G3.0 sau khi đƣợc tổng hợp có phần tr m t ng khối lƣợng đƣợc thể hiện ở bảng 3.5 sau:
Bảng 3.5 Hiệu su t tổng hợp GO-PMAAM-G3.0
Mẫu Khối lƣợng GO- PMAAM-G2.0 (g) Khối lƣợng GO- PMAAM-G3.0 (g) Phần trăm tăng khối lƣợng (%) 1 0.242 0.262 8.26 2 0.240 0.263 9.25 3 0.245 0.260 6.12
Dựa vào ảng 3.5 ta nhận th y vật liệu GO-PMAAM-G3.0 đƣợc tổng hợp thành cơng. Kết quả tổng hợp thành cơng này có thể đƣợc khẳng định lại ằng các phƣơng pháp phân tích hóa lý hiện đại sẽ đƣợc trình ày ở phần tiếp theo.
48
Hình 3.2 Hình ảnh thực tế mẫu GO-PMAAM-G3.0
Hình 3.3 cho th y hình ảnh thực tế của mẫu vật liệu GO-PMAAM-G3.0. Việc tích hợp polymer trên ề mặt vật liệu GO về cảm quan khơng thay đổi gì tuy nhiên các tính ch t nhiệt, hóa lý của GO-PMAAM-G3.0 hồn tồn khác so với GO an đầu.
3.3.4 Kết quả phổ Raman
Hình 3.3 Phổ Raman của GO và GO-MA
Phản ứng DA giữa MA và GO đã đƣợc khẳng định thêm ằng phƣơng pháp phân tích phổ Raman [68]. Chúng tôi sử dụng phép đo Raman ằng đèn chiếu lazer có ƣớc sóng 514.5 nm. Kết quả đƣợc thể hiện trên hình 3.3 có thể dễ dàng th y rằng phổ Raman của vật liệu GO thƣờng có hai đỉnh đặc trƣng tại đỉnh D ở 1349 cm-1
49
đỉnh G ở 1576 cm-1. Từ kết quả cho th y đỉnh G xu t hiện khá nhọn và rõ ràng, đỉnh D có xu t hiện nhƣng cƣờng độ r t yếu. Trong đó đỉnh D có cƣờng độ tại 1349 cm-1 đặc trƣng cho các khuyết tật của mạng tinh thể. Đỉnh G với cƣờng độ mạnh có nguồn gốc từ q trình chuyển đổi trạng thái lai hóa từ C-C (sp2
) thành C-C (sp3) trong vật liệu GO. Tỷ lệ cƣờng độ peak t ng lên tại đỉnh D và G mô tả mức độ khuyết tật trên ề mặt GO và thể hiện tỷ lệ cac on sp3/sp2. Giá trị tỷ lệ ID/IG của GO và GO-MA sau phản ứng DA lần lƣợt là 0.38 và 0.33. Điều này đƣợc cho là liên kết C-sp3 t ng lên so với liên kết C-sp2. Kết quả nảy khẳng định rằng MA đã đƣợc chức hóa thành cơng lên ề mặt GO.
3.3.5 Kết quả đo phổ hồng ngoại FT-IR
Hình 3.4 Phổ hồng ngoại FT-IR của GO (a), GO-MA (b), GO-PMAAM-G1.0 (c), GO-PMAAM-G2.0 (d), GO-PMAAM-G3.0 (e)
Quan sát phổ FT-IR của GO cho th y sự tồn tại của liên kết C–O thông qua peak nằm trong khoảng số sóng 1200-1250 cm-1
[69]. Các peak nằm trong khoảng 1500- 1600 cm-1 đặc trƣng cho sự tồn tại của liên kết C=C trong các hợp ch t aromatic
50
[70, 71], trong khi dãy h p thụ nằm khoảng từ 3400-3800 cm-1 đặc trƣng cho sự có mặt của các nhóm -OH [72, 73]. Tuy nhiên sau q trình oxy hóa các peak có sự dịch chuyển nhẹ trong khoảng 3120-3750 cm-1 vẫn đặc trƣng cho sự có mặt của nhóm -OH. Ngồi ra, cịn có sự xu t hiện một peak nhỏ tại số sóng 2370 cm-1, peak này đặc trƣng cho liên kết giữa GO và CO2 do GO dễ dàng liên kết với CO2 trong khơng khí. Khi đo FT-IR khơng có q trình loại ỏ CO2 (degas) thì liên kết này vẫn hình thành và xu t hiện trên phổ FT-IR. Nhƣ ta th y từ đặc trƣng của GO sau khi gắn MA xu t hiện các peak mới tại khoảng 2750-3000 cm-1 đây là peak của liên kết CH2=CH. Điều này chứng tỏ MA đã đƣợc gắn thành công lên GO. Sau phản ứng với EDA thì vật liệu GO-MA mang peak đặc trƣng của nhóm –OH ở khoảng 3250-3700 cm-1 gần nhƣ iến m t mà thay đó là sự xu t hiện peak mới của liên kết –CONH ở 1670 cm-1 và liên kết –NH2 tại 3440 cm-1. Điều này chứng tỏ EDA đã đƣợc gắn thành công lên GO-MA [74]. Tuy nhiên, peak của các liên kết trên r t nhỏ cho đến khi quá trình gắn MA và EDA đƣợc lặp lại ba lần ta có thể th y rõ peak tại 1670 cm-1 của liên kết –CONH và 3440 cm-1 của liên kết –NH2. Kết quả này khẳng định MA và EDA đã đƣợc chức hóa nhiều lần để hình thành vật liệu polymer siêu nhánh trên nền GO.
51
3.3.6 Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)
Hình 3.5 Nhiễu xạ tinh thể tia X của graphite (a), GO (b), GO-PMAAM-G1.0 (c), AgNPs/GO-PMAAM-G1.0 (d), AgNPs/GO-PMAAM-G2.0 (e) và AgNPs/GO-
PMAAM-G3.0 (f)
Giản đồ nhiễu xạ tia X của graphite, GO, GO-PMAAM-G1.0, AgNPs/GO- PMAAM-G1.0, AgNPs/GO-PMAAM-G2.0, AgNPs/GO-PMAAM-G3.0 đƣợc trình bày nhƣ hình 3.5. Kết quả cho th y mẫu nguyên liệu graphite an đầu có đỉnh nhiễu xạ với cƣờng độ mạnh tại 2 = 26.6o là do đặc trƣng của mặt (002) trong graphite, tƣơng ứng với khoảng cách d002 = 0.34 nm giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể graphite. Trong đề tài này chúng tơi tiến hành tổng hợp GO từ graphite có độ tinh khiết cao (99%). Graphite là ngun liệu thơ lí tƣởng để tổng hợp GO theo phƣơng
52
pháp Hummer‘s cải tiến với các tính ch t tuyệt vời của graphite nhƣ độ ền kéo cao