2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên vật liệu – thiết bị
2.1.1. Hóa chất
Tên hóa chất Công thức Hãng sản
xuất Thành phần Sulfate kẽm ZnSO4.7H2O Prolabo 99% Nitrate kẽm Zn(NO3)2.6H2 O Prolabo 99% Kẽm Clorua ZnCl2.5H2O China 99%
Oxalic acid H2C2O4.2H2O Shantou Xilong
99%
Glycerin C3H8O3 Chemsol 99%
Glycerin C3H8O3 Merck 99,9%
Polyvinylpyrrolidone (C6H9NO)n Prolabo Mw = 40.000g/mol Polyvinylpyrrolidone (C6H9NO)n Merck Mw = 40.000g/mol Mw=1.000.000g/mol
Ethylene glycol C2H6O2 Chemsol 99%
31
Glycerin (C3H8O3, 99%) và Ethylene glycol (C2H6O2, 99%) được sử dụng như dung môi và tác nhân khử trong quá trình phân hủy nhiệt muối oxalate kẽm.
Polyvinylpyrrolidone ((C6H9NO)n, PVP ) được sử dụng làm chất bảo vệ các hạt nano Zn sau khi hình thành.
2.1.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
Lò vi sóng (Sharp R218L – Output 800W- tần số 2450MHz, Thailand).
Becher (Schott Duran) 100 ml, 250ml, 500ml
Cân điện tử 5 số, (sai số ± 0,0001g).
Pipet BIOHIT-Proline.
Máy đo pH IQ Scientific Instruments (Bộ môn Hóa phân tích, ĐH KHTN, Tp. HCM).
Hình 2.1: Máy đo pH IQ Scientific Instrument
Máy khuấy từ IKA RET control-visc, Đức (Phòng Hóa lý ứng dụng, ĐH KHTN, Tp. HCM)
32
Hình 2.2: Mấy khuấy từ IKA RET control-vis và pipet BIOHIT Proline, Đức
Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN, Đức, số vòng ly tâm 18000 vòng/phút (Phòng thí nghiệm Hóa Lý Ứng Dụng, ĐH KHTN, Tp. HCM).
Máy lắc HEIDOLPH PROMAX 1020, Đức (Phòng thí nghiệm Hóa lý ứng dụng, ĐH KHTN, Tp. HCM).
Hình 2.3: Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN và
33
Máy quang phổ UV-Vis-NIR-V670, JASCO, Nhật (Phòng Hóa lý ứng dụng, ĐH KHTN, Tp. HCM).
Máy FE-SEM JSM 7401F, Nhật (Phòng thí nghiệm công nghệ nano, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh).
Máy TEM, JEM-1400, Nhật (Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Vật liệu Polyme và Composit, ĐH Bách Khoa, Tp. HCM).
Máy nhiễu xạ tia X BRUKER XRD-D8 ADVANCE, Đức (Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng).
2.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu và chế tạo dung dịch keo nano Zn sử dụng phương pháp polyol với tác chất là ZnSO4, khảo sát điều kiện thích hợp các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước, độ phân bố kích thước và tính ổn định của hạt nano như tỷ lệ ZnC2O4:PVP, khối lượng phân tử chất bảo vệ PVP 40.000, 1.000.000 g/mol. Sau khi khảo sát các điều kiện thích hợp ảnh hưởng đến kích thước hạt, tiến hành khảo sát khả năng kháng và diệt nấm hồng trên cây cao su khi có sự ảnh hưởng của kích thước hạt. Các yếu tố ảnh hưởng cần khảo sát là:
- Khảo sát tính chất của tiền chất trước khi chế tạo nano Zn. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt.
- Khảo sát tính chất hóa lý của sản phẩm hạt nano Zn tạo thành.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ và kích thước hạt đến khả năng kháng và diệt khuẩn của hạt nano Zn.
34
2.3. Các phương pháp thực nghiệm chế tạo nano kẽm 2.3.1. Phương pháp chế tạo oxalate kẽm 2.3.1. Phương pháp chế tạo oxalate kẽm
Hình 2.4: Quy trình chế tạo kẽm oxalate
ZnSO4.7H2O C2H2O4.2H2O
Dung dịch tan hoàn toàn
100ml H2O Hòa tan hoàn
toàn Kẽm oxalat thô Ly tâm Dịch lỏng Rửa Bỏ Phần rắn pH < 7 Kẽm oxalat pH = 7 300ml H2O
Sấy Sấy 48 giờ
Nhiệt độ sấy: 60oC khuấy từ ở nhiệt độ phòng Phân tích nhiệt TG/DTA Chụp ảnh FE- SEM Giản đồ XRD 400ml H2O
35
Thuyết minh quy trình:
Bước 1: Cho 35,6g kẽm sulphate được hòa tan hoàn toàn trong 100ml nước
khuấy từ ở nhiệt độ phòng vào 16,47g acid oxalic được hòa tan hoàn toàn trong 400ml nước khuấy từ ở nhiệt độ phòng, khuấy trong 30 phút, dung dịch tạo thành có màu trắng đục là do kết tủa kẽm oxalate hình thành.
Bước 2: Sản phẩm kẽm oxalate tạo thành trong nước được ly tâm để loại bỏ phần dịch lỏng, phần chất rắn được rửa bằng nước cất nhiều lần cho đến khi pH=7 để loại bỏ hoàn toàn phần acid còn dư trong dung dịch. Phần chất rắn được sấy khô ở nhiệt độ 60oC trong 5 giờ. Sản phẩm kẽm oxalate thu được đem phân tích tính chất bằng phương pháp ghi giản đồ XRD, chụp ảnh FE-SEM, phân tích nhiệt TG/DTA.
36
2.3.2. Phương pháp chế tạo dung dịch keo nano kẽm với tác chất oxalate kẽm
Hình 2.6: Quy trình chế tạo dung dịch keo nano kẽm với tác chất là oxalate kẽm.
Thuyết minh quy trình:
Bước 1: Cân một lượng kẽm oxalate cho vào một thể tích glycerin xác định, phân
tán đều trong glycerin dưới điều kiện khuấy từ, gia nhiệt đến nhiệt độ 100oC, vận tốc khuấy 750-800 vòng/phút, thu được dung dịch huyền phù kẽm oxalate trong glycerin, sau đó đưa nhiệt độ của hỗn hợp lên 200-260oC.
Bước 2: Cân một lượng PVP cho vào dung dịch glycerin, sau đó cho hỗn hợp vào
lò vi sóng gia nhiệt và khuấy từ cho đến khi PVP tan hoàn toàn trong glycerin, điều khiển nhiệt độ dung dịch từ 200-260oC.
khuấy cho đến khi dung dịch đạt nhiệt độ phòng
khuấy, gia nhiệt trong lò vi sóng. t = 200oC – 240oC khuấy, t = 200o-240oC. Vkhuấy = 750-800 vòng/phút Phân tán ZnC2O4 trong glycerin Huyền phù oxalate kẽm và glycerin
Hoà tan hoàn toàn PVP trong glycerin
Dung dịch nano kẽm
Phân tích quang phổ UV-Vis Chụp ảnh TEM
37
Bước 3: Cho hỗn hợp huyền phù oxalate kẽm trong glycerin vào dung dịch PVP –
glycerin khuấy đều liên tục bằng máy khuấy từ và khảo sát nhiệt độ trong khoảng 200-240oC, thời gian tạo nano kẽm trong 15 phút. Sản phẩm thu được sau phản ứng được xác định tính chất lý hoá bằng các phương pháp hóa lý như quang phổ UV- Vis, giản đồ nhiễu xạ tia X, chụp ảnh FE-SEM, TEM để xác định cấu trúc của hạt nano kẽm tạo thành.
2.4. Các phương pháp phân tích 2.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt 2.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt
Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó, các tính chất vật lý, hóa học của mẫu đo một cách liên tục như là những hàm của nhiệt độ (nhiệt độ được thay đổi có quy luật). Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi tính chất đó ta có thể xác định được các thông số yêu cầu của việc phân tích. Các tính chất được xác định như nhiệt độ chuyển pha, khối luợng mất đi, biến đổi về kích thước.
Phân tích nhiệt vi sai (DTA):
- Phân tích nhiệt vi sai dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn, được xem như một hàm của nhiệt độ mẫu.
- Các tính chất của mẫu chuẩn là hoàn toàn xác định và yêu cầu mẫu chuẩn phải trơ về nhiệt độ.
- Với mẫu đo thì luôn xảy ra một trong hai quá trình giải phóng và hấp thụ nhiệt khi tăng nhiệt độ của hệ, ứng với mỗi quá trình này sẽ có trạng thái chuyển pha tương ứng.
- Phương pháp này cho biết:
Phân biệt các nhiệt độ đặc trưng.
Quá trình nóng chảy và kết tinh của vật liệu.
38
Hình 2.7: Máy phân tích nhiệt NETZSCH STA 409 Phân tích nhiệt khối lượng (TGA hay TG)
- Phương pháp này dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi (hay nhận vào) trong quá trình chuyển pha như một hàm của nhiệt độ.
- TGA cho ta xác định khối lượng của chất bị mất đi trong quá trình chuyển pha.
- Các thông tin nhận được dùng để xác định thành phần khối lượng của các chất có mặt trong mẫu.
- Mẫu kẽm oxalat được gia nhiệt với tốc độ 30oC/phút từ 10oC đến 600o C.
2.4.2. Phương pháp phân tích quang phổ UV-Vis
Quang phổ kế là thiết bị dùng để đo mật độ quang và độ triền quang. Quang phổ kế UV-Vis họat động ở vùng UV-Vis. Máy đo cường độ tia sáng sau khi đi qua mẫu (I1) và so sánh với cường độ ánh sáng tới (Io), từ đó tính ra mật độ quang.
Cấu tạo chính của quang phổ kế gồm nguồn sáng (thường là đèn nhiệt quang với ánh sáng VIS và đèn hồ quang đetơri cho ánh sáng UV), giá đặt mẫu, bộ lọc ánh sáng hay lưới nhiễu xạ để lọc lấy ánh sáng đơn sắc. Đầu dò thường là diod quang. Diod quang luôn đi kèm bộ lọc ánh sáng để chỉ ánh sáng đơn sắc đến được diod.
39
Hình 2.8: Sơ đồ quang phổ kế hai chùm tia.
Trong quang phổ kế hai chùm tia ánh sáng được chia làm hai tia bằng gương quay trước khi đến mẫu. Một tia được dùng làm so sánh, tia còn lại đi qua mẫu (Hình 2.9). Quang phổ kế hai chùm tia có thể có hai hay một đầu dò. Trường hợp hai đầu dò thì tia so sánh và tia mẫu được đo đồng thời như ở hình 2.9. Với loại một đầu dò thì ở một thời điểm chỉ có một trong hai tia sáng đến được đầu dò, còn tia kia bị chặn lại. Đầu dò lần lượt đo từng tia một.
Quang phổ kế thường đo mẫu ở dạng lỏng tuy vẫn có thể đo được mẫu khí và thậm chí cả chất rắn. Mẫu được chứa trong cuvet (cuvette) hoàn toàn trong suốt (không hấp thu ánh sáng ở vùng khảo cứu). Cuvet có dạng hình hộp chữ nhật, phổ biến nhất có bề dầy 1 cm (quãng đường l trong định luật Beer- Lambert).
Mẫu dung dịch nano kẽm được phân tích ở dạng lỏng, xác định bước sóng hấp thu của nano kẽm. Mẫu nano kẽm được phân tích trên máy quang phổ 2 chùm tia, đo song song mẫu nền và mẫu nano kẽm, mẫu nền gồm glycerin và được khảo sát ở các điều kiện giống như mẫu nano kẽm
40
Hình 2.9: Máy quang phổ UV-Vis-NIR-V670, JASCO, Nhật. 2.4.3. Phương pháp phân tích ảnh SEM
Hình 2.10: Máy FE-SEM JSM 740F, Nhật
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE – SEM dùng để chụp ảnh cấu trúc vật liệu, phân tích thành phần có trong vật liệu. Từ ảnh chụp của vật liệu nano kẽm bằng FE - SEM ta có thể xác định được đặc tính cấu trúc của hạt nano kẽm.
41
2.4.4. Phương pháp phân tích chụp ảnh TEM
Hình 2.11: Máy TEM, JEM-1400, Nhật
Kính hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscopy 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 [2, 51]. Do đó, phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu vật liệu nano (Hình 2.5).
Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử truyền qua: trong phương pháp này, hình ảnh thu được chính là do sự tán xạ của chùm electron xuyên qua mẫu.
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống hiển vi điện tử truyền qua TEM:
- Cấu tạo gồm 3 bộ phận chính: hệ thống chiếu sáng, hệ thống thấu kính, hệ thống phân tích ảnh (Hình 2.13) [51].
42
Hình 2.12: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua.
Hệ thống chiếu sáng bao gồm: súng phóng chùm electron , thấu kính tụ quang , màng ngăn . Hệ thống này có tác dụng chiếu chùm electron lên mẫu . Những thấu kính tụ quang sử dụng trường điện từ để tập trung chùm electron.
Chùm electron sẽ bị tán xạ khi đi qua mẫu và đi đến vật kính, những hình ảnh đầu tiên về mẫu được tạo ra trên vật kính này. Bộ phận điều chỉnh độ mở của vật kính sẽ trải chùm electron ra và tạo sự tương phản cho hình ảnh.
Hệ thống phân tích ảnh sử dụng nhiều thấu kính khác nhau bao gồm hai kính
và để phóng đại và tập trung hình ảnh lên màn hình hiển thị .
2.4.5. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để phân tích các vật liệu có cấu trúc, nó cho phép xác định hằng số mạng và các đỉnh đặc trưng cho các cấu trúc đó. Đối với kim loại, phương pháp XRD cho phép xác định chính xác sự tồn tại của kim loại trong mẫu dựa trên các đỉnh thu được so sánh với các đỉnh chuẩn của nguyên tố đó [2, 51].
43
2.4.5.1. Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X:
Hình 2.13: Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X.
Chùm tia X có bước sóng chiếu vào hai bề mặt cách nhau một khoảng cách d với góc tới . Khi đến chạm vào hai bề mặt trên, chùm tia tới sẽ bị chặn lại và sẽ xuất hiện chùm tia nhiễu xạ. Đây chính là hiện tượng nhiễu xạ. Góc giữa chùm tia tới & chùm tia nhiễu xạ là 2. Khi xảy ra cộng hưởng thì khoảng cách (A+B) phải bằng một số nguyên lần bước sóng nλ (Hình 2.14).
Mặt khác, xét khoảng cách (A+B), với hai pháp tuyến vuông góc với chùm tia tới và chùm nhiễu xạ, ta có:
Từ đó ta có phương trình: nλ = 2 x d x sinθ Đây chính là định luật nhiễu xạ Bragg.
Nguyên tắc hoạt động của máy chụp nhiễu xạ tia X
Tia X được phát ra từ nguồn (thường là đồng Cu với bước sóng
1.541
Å) đi qua liên tiếp những ống chuẩn trực song song còn được gọi là
Sollers slit để giảm sự phân kỳ quanh trục của chùm tia và đi qua khe phân kỳ
để giảm sự phân kỳ biên của chùm tia.
2 sin
sin A B A B d
d d
44
Hình 2.14: Nguyên tắc hoạt động của máy nhiễu xạ tia X.
Tiếp đến chùm tia X được chiếu vào mặt phẳng chứa mẫu và bị nhiễu xạ bởi những tinh thể có định hướng thích hợp trong mẫu (ở góc 2), hội tụ thẳng hàng với khe tiếp nhận . Một bộ ống chuẩn trực khác làm giảm sự phân kỳ của chùm tia nhiễu xạ.
Sau đó, chùm nhiễu xạ tiếp tục đi qua khe phân tán trước khi đi đến đầu dò . Đầu dò có tác dụng chuyển các X-Ray photons thành các tín hiệu có thể tính toán được trên máy tính.
45
2.4.5.2. Quy trình phân tích nhiễu xạ tia X mẫu nano kẽm
Thuyết minh quy trình:
Mẫu dung dịch nano kẽm được đem phân tích XRD theo 2 cách
Dung dịch nano kẽm trong glycerin được đem phân tích nhiễu xạ XRD Dung dịch nano kẽm trong glycerin được phủ lam và nung trong môi trường khí trơ N2 ở nhiệt độ 350oC cho đến khi thu được nano kẽm có dạng rắn hình thành trên bề mặt lam, nano kẽm hình thành được bảo quản trong môi trường khí trơ và sau đó được phân tích giãn đồ nhiễu xạ tia X.
2.5. Phương pháp thử hoạt tính nano Zn với nấm hồng (phương pháp khuếch tán thạch) tán thạch)
Nguyên vật liệu
- Nano Zn (ZnC2O4:PVP 1:6, PVP 1.000.000 g/mol, nhiệt độ 220oC)
- Giống nấm hồng Corticium Salmonicolor, Phòng Thí Nghiệm Hoá Sinh, Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng
- Môi trường PDA: Dịch chiết từ 200 g khoai tây, 20 g Dextrose, 0,02 g streptomycin, 15 Agar và cho nước đủ 1000 ml. Tiệt trùng bằng nồi autoclave trong 30 phút ở 1210C.
N2
Nung tại nhiệt độ 350oC khí trơ (N2) Bảo quản mẫu trong môi trường khí trơ Phân tích nhiễu xạ tia X Phân tích nhiễu xạ tia X Dung dịch nano kẽm trong glycerin Nano Zn
46
Thực nghiệm
Chuẩn bị giống nấm để thí nghiệm
Từ ống nghiệm nấm hồng được giữ trên thạch nghiêng, nấm hồng được nuôi cấy trên các đĩa petri chứa môi trường PDA. Cấy tơ nấm một điểm ở giữa thạch, để nhiệt độ phòng cho nấm mọc lan tỏa trên đĩa thạch. Sau 1 tuần nấm mọc gần hết đĩa Pha chất thử
Khuếch tán nano Zn với những nồng độ cần khảo sát sau: 5ppm, 10ppm, 20ppm, 30ppm và 40ppm vào môi trường PDA khoảng 450C sau khi được tiệt trùng bằng nồi autoclave trong 30 phút ở 1210C. Mẫu đối chứng nano Zn được thay thế bằng nước cất. Mỗi nồng độ thực hiện trên 2 đĩa petri, thí nghiệm lặp lại 3 lần
Cấy nấm vào tâm đĩa petri sau khi thạch đã đông cứng hoàn toàn. Quan sát và đo đường kính tơ nấm từng đĩa petri (Đo 2 đường chéo và tính trung bình) sau 1, 2, 4, 6 ngày cấy. Tính đường kính trung bình theo công thức sau:
DKtb = (DK1 + DK2)/2
Trong đó: DK1: Đường kính tơ nấm ở đĩa 1 DK2: Đường kính tơ nấm ở đĩa 2 % ức chế = (Dka – DKb)/Dka x 100
Trong đó: DKa:Đường kính tơ nấm ở đĩa đối chứng