2. THỰC NGHIỆM
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 DKb: Đường kính tơ nấm ở đĩa thử
Từ % ức chế sinh trưởng và nồng độ thí nghiệm, tiến hành xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính dạng y = ax + b. Từ đó suy ra IC50 (inhibition concentration, nồng độ ức chế 50% tăng trưởng của nấm)
47
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Chọn phương pháp tổng hợp nano kẽm
Hiện nay trên thế giới, có rất nhiều phương pháp để tổng hợp nano kẽm oxid nhưng còn rất ít các phương pháp tổng hợp nano kẽm. Các phương pháp tổng hợp nano kẽm chủ yếu là phương pháp vật lý như ăn mòn laser. Phương pháp phân huỷ nhiệt, ăn mòn laser sử dụng tia laser phân tán vật liệu kẽm ban đầu thành các hạt có kích thước nano, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là các hạt nano tạo ra không đồng đều, kỹ thuật chế tạo phức tạp, chi phí cao. Một phương pháp khác là phân hủy nhiệt hợp chất stearat kẽm, phương pháp này có ưu điểm là đơn giản hơn, chi phí thấp nhưng có nhược điểm là hiệu suất tổng hợp ra nano kẽm lại không cao do hình thành ZnO trong quá trình chế tạo hạt nano kẽm. Do đó, chúng tôi lựa chọn phương pháp khử nhiệt oxalate kẽm trong dung môi glycerin, dưới tác dụng gia nhiệt của vi sóng. Phương pháp này có những ưu điểm như sau:
- Quá trình tổng hợp nano kẽm có độ tinh khiết cao do sử dụng tác chất là oxalate kẽm, tác chất này tương đối bền với không khí. Trong môi trường glycerin, oxalate kẽm sẽ bị khử thành kẽm do có sự phân hủy nhiệt của phức oxalate kẽm và Zn2+ Zno, Zn tạo thành trong môi trường glycerin có sẵn PVP, PVP sẽ bao bọc các hạt nano kẽm tạo thành ngăn không cho sự tiếp xúc của hạt nano kim loại kẽm với oxy trong không khí nên hiệu suất tổng hợp hạt nano kẽm cao. Tuy nhiên trong dung dịch keo nano chế tạo được vẫn sẽ còn lẫn một ít ZnO.
- Do nhiệt độ phân hủy của oxalate trong khoảng từ 200-300oC nên quá trình chế tạo nano kẽm cần phải sử dụng dung môi glycerin có nhiệt độ sôi cao trong khoảng 280oC, ngoài ra do dung môi glycerin không gây độc hại đến môi trường nên rất thích hợp sử dụng trong quy trình tổng hợp kim loại nano kẽm.
- Trong phương pháp tổng hợp nano kẽm, khi sử dụng tác dụng gia nhiệt của lò vi sóng lượng nhiệt cung cấp sẽ nhanh và đồng đều hơn, hạt nano kẽm tạo ra có kích thước nhỏ và đồng đều, chất bảo vệ PVP có khả năng bao bọc tốt hạt nano
48
tránh quá trình oxy hóa đối với các hạt nano kẽm và có khả năng tan tốt trong glycerin.
3.2. Kết quả tổng hợp oxalate kẽm 3.2.1. Kết quả DTA/TG 3.2.1. Kết quả DTA/TG
Oxalate kẽm được tổng hợp khi cho dung dịch ZnSO4 trong nước vào dung dịch acid oxalic. Phản ứng xảy ra ngay ở nhiệt độ phòng và hình thành kết tủa màu trắng đục theo phương trình:
ZnSO4 + H2C2O4 ZnC2O4 + H2SO4 (3.1)
Chất rắn màu trắng sau khi tạo thành được đem phân tích nhiệt vi sai DTA – nhiệt khối luợng TG tại Khoa Công Nghệ Vật Liệu trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh bằng máy NETZSCH STA 409 PC/PG. Phương pháp phân tích DTA/TG cho phép xác định sự thay đổi khối lượng vật liệu theo vùng nhiệt độ.
49
Kết quả DTG/TG của oxalate kẽm cho thấy khi nhiệt độ tăng đến khoảng 100oC có xảy ra quá trình mất nước không liên kết trong oxalate kẽm, khối lượng của mẫu oxalate kẽm giảm 4,57%; khi tăng nhiệt độ trong khoảng 100-200oC khối lượng giảm 14,10% xảy ra quá trình mất nước liên kết trong tinh thể oxalate kẽm; khi tăng nhiệt độ từ 200o
C-240oC ta thấy khối lượng oxalate kẽm không thay đổi. Từ 280o-360oC khối lượng oxalate kẽm giảm 42,49% là do có sự hình thành oxid kẽm trong dung dịch. Do đó ta chọn khoảng nhiệt độ khảo sát phân hủy oxalate kẽm trong glycerin từ 200 đến 240oC với chất khử là glycerin để khử Zn2+ Zn0.
3.2.2. Kết quả FE-SEM
Mẫu oxalat kẽm được phân tích FE – SEM tại phòng bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường máy FE-SEM JSM 740F (Viện Công Nghệ Hoá Học - TP HCM)
2.0 µm2.0 µm 2.0 µm 2.0 µm
2.0 µm Hình 3.2: Ảnh chụp FE-SEM của mẫu oxalate kẽm
Kết quả phân tích FE-SEM của oxalate kẽm cho thấy phức chất oxalate kẽm có kích thước hạt lớn khoảng từ 1-1,5 µm.
3.2.3. Kết quả XRD
Mẫu oxalate kẽm được đem đi phân tích XRD với máy nhiễu xạ tia X BRUKER XRD-D8 ADVANCE.
50
Hình 3.3: Giản đồ nhiễu xạ XRD của oxalate kẽm
Kết quả XRD cho thấy mẫu oxalate kẽm thu được hoàn toàn phù hợp với giản đồ XRD có sẵn trong thư viện phổ. Giản đồ XRD cũng cho thấy không có các đỉnh của kẽm oxid. Điều này chứng tỏ sản phẩm oxalate kẽm thu được khá sạch.
3.3. Các thông số khảo sát quá trình tổng hợp nano kẽm và kết quả UV-Vis
Trong phương pháp chế tạo dung dịch keo nano kẽm sử dụng tiền chất là oxalate kẽm và polyol glycerin có tác dụng vửa là dung môi vừa là tác nhân khử. Quá trình khử ZnC2O4 thành Zn được minh họa qua phương trình phản ứng:
C2H4(OH)2→ 2CH3CHO + H2O (3.2)
2CH3CHO + ZnC2O4 → CH3COCOCH3 + Zn + H2C2O4 (3.3) Quá trình khử này được khảo sát trong khoảng nhiệt độ từ 200 đến 240oC.
51
3.3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với phản ứng tổng hợp nano kẽm (chất bảo vệ PVP 40.000 g/mol) nano kẽm (chất bảo vệ PVP 40.000 g/mol)
Khảo sát với tỷ lệ ZnC2O4:PVP 1:1 với các khoảng nhiệt độ khác nhau từ 200-240oC để lựa chọn nhiệt độ thích hợp tiến hành phản ứng.
Bảng 3.1: Bảng giá trị bước sóng và cường độ hấp thu UV-Vis các mẫu dịch keo
nano kẽm với tỷ lệ ZnC2O4:PVP 1: 1 khảo sát trong khoảng nhiệt độ 200-240oC
Mẫu Glycerin (ml) ZnC2O4 (g) PVP (g) Nhiệt độ (oC) Bước sóng (nm) Độ hấp thu A1 50 0,005 0,005 200 229 0,0562 A2 50 0,005 0,005 210 228 0,0591 A3 50 0,005 0,005 220 229 0,118 A4 50 0,005 0,005 230 229 0,0291 A5 50 0,005 0,005 240 230 0,0297
Hình 3.4: Phổ UV-Vis các mẫu dung dịch keo nano kẽm với tỷ lệ ZnC2O4-PVP 1: 1 khảo sát trong khoảng nhiệt độ 200-240oC
52
Kết quả UV-Vis các mẫu dung dịch keo nano kẽm cho thấy khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 200 đến 220oC độ hấp thu tăng rõ rệt. Hai mẫu A1 (200oC), A2 (210oC) độ hấp thu tăng chậm, mẫu A3 (220oC) độ hấp thu tăng cao rõ rệt, điều này chứng tỏ hạt nano kẽm tạo ra trong dung dịch khá nhiều, hình dạng mũi có tính đối xứng cao (230 nm; 0,118). Khi tiếp tục tăng nhiệt độ lên 230oC và 240oC, độ hấp thu của 2 mẫu A4 (230oC)và A5 (240oC) giảm mạnh. Điều này có thể giải thích do khi tăng nhiệt độ quá mức giới hạn của phản ứng, các hạt nano sau khi hình thành, do chuyển động nhiệt các hạt va chạm vào nhau kết tụ lại thành những hạt lớn hơn làm giảm nhanh số lượng hạt nên độ hấp thụ giảm. Mẫu A4 (230oC) có bước sóng hấp thu 229 nm; cường độ 0,0291, mẫu A5 (240oC) có bước sóng hấp thu 230 nm; cường độ 0,0297. Vậy dựa vào kết quả UV-Vis, với tỷ lệ ZnC2O4 : PVP (g/g) 1:1, nhiệt độ thích hợp để tổng hợp hạt nano kẽm là 220oC.
3.3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ ZnC2O4:PVP đối với phản ứng tổng hợp nano kẽm (chất bảo vệ PVP 40.000 g/mol) tổng hợp nano kẽm (chất bảo vệ PVP 40.000 g/mol)
Bảng 3.2: Bảng giá trị bước sóng và cường độ hấp thu UV-Vis các mẫu dịch keo
nano kẽm với tỷ lệ ZnC2O4:PVP 1:1-1:9 khảo sát trong khoảng nhiệt độ 220oC.