Có thể xem nhiễu xạ là sự thay đổi tính chất ánh sáng hoặc sóng do sự xuyên sâu vào vật thể, xem xét sự nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc tinh thể.
Io I
C
Nếu chiếu một chùm tia X tới nguyên tử, thì các electron trong nguyên tử sẽ dao động quanh vị trí cân bằng của nó. Ta nhận thấy một photon tia X bị hấp thụ bởi nguyên tử thì có một photon khác phát ra với cùng mức năng lƣợng. Khi không có sự thay đổi năng lƣợng giữa photon tới và photon phát ra, ta nói bức xạ là tán xạ đàn hồi. Nếu photon bị mất năng lƣợng thì tán xạ không đàn hồi.
Hình 2.10: Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể.
Hiệu quang lộ xuất phát từ hai mặt liên tiếp trong họ mặt biểu diễn đƣợc tính theo công thức 2.3:
2d.sin( )=n (2.3) + n= 1, 2, 3, ... ( Định luật Bragg ) là bậc cực đại cƣờng độ của phản xạ.
+ d: khoảng cách giữa các mặt mạng. + : là góc nhiễu xạ tƣơng ứng.
2.3.3. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy – TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy – TEM) 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. Do đó, phƣơng pháp này ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu vật liệu nano.
Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM hoạt động dựa trên nguyên lý tƣơng tự nhƣ kính hiển vi quang học. Nguồn chiếu sáng trong TEM là chùm các electron có năng lƣợng cao đƣợc phát ra từ súng điện tử.
Bƣớc sóng của chùm tia electron là , nó là một hàm của điện thế đƣợc biểu diễn nhƣ phƣơng trình: 2 1 0 6 0(1 0,9788 10 U ) U 1,226 λ (2.4) Với U0 là điện thế của chùm tia electron
Các chùm electron này sẽ di chuyển xuyên qua thân máy đƣợc hút chân không và tập trung chùm tia rất hẹp nhờ vào các thấu kính điện từ và chiếu xuyên qua mẫu cần đo. Ở đây chúng đƣợc hội tụ lại nhờ các vật kính là thấu kính điện từ, sau đó ảnh đƣợc phóng đại qua một số thấu kính từ trung gian với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số.
Hình 2.12: Máy đo TEM, JEM – 1400
2.3.4. Phƣơng pháp khảo sát hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano bạc bạc
Quá trình khảo sát hoạt tính kháng khuẩn đƣợc tiến hành tại Công ty cổ phần dịch vụ Khoa học công nghệ Sắc ký Hải Đăng.
Hình 2.13: Vi khuẩn Escherichia coli
Phƣơng pháp này dựa trên nguyên tắc đếm khuẩn lạc để xác định số lƣợng tế bào vi sinh vật còn sống hiện diện trong mẫu. Tế bào sống là tế bào có khả năng phân chia và tạo thành khuẩn lạc trên môi trƣờng chọn lọc. Trong phƣơng pháp này cần phải pha loãng mẫu thành nhiều độ pha loãng bậc 10 liên tiếp sao cho có độ pha loãng với mật độ tế bào thích hợp để xuất hiện các khuẩn lạc riêng rẽ trên bề mặt thạch với số lƣợng đủ lớn hạn chế sai số khi đếm và tính toán. Đếm số khuẩn lạc mọc trên môi trƣờng thạch dinh dƣỡng từ các nồng độ pha loãng sau khi nuôi cấy ở 37oC trong 48 giờ. Từ đó tính mật độ tế bào và hiệu suất kháng khuẩn theo công thức (2.5) và (2.6).
Mật độ tế bào:
(2.5) Trong đó Ai là khuẩn lạc trung bình trong dĩa
Di là độ pha loãng
V là dung tích huyền phù tế bào cho vào mỗi dĩa (ml)
Hiệu suất kháng khuẩn:
(2.6) Trong đó N1 là số khuẩn lạc trong dĩa đối chứng
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Tổng hợp dung dịch nano bạc
Với mục tiêu điều chế dung dịch nano bạc bằng phƣơng pháp vi nhũ tƣơng, chúng tôi đã thay đổi các thông số nhƣ tỷ lệ mol giữa nƣớc và chất hoạt động bề mặt (AOT), môi trƣờng dầu (dung môi), nồng độ muối AgNO3, để nhằm tìm ra điều kiện tổng hợp phù hợp nhất.
Hình 3.1: Các dung dịch nano bạc sau khi tạo thành
Hình 3.1 cho thấy màu sắc của các dung dịch nano bạc sau khi tạo thành thay đổi từ màu vàng nhạt cho đến màu nâu đậm.
Hình 3.2: Dung dịch nano bạc bị kết tủa
Khi cho hệ vi nhũ chứa AgNO3 và NaBH4 trộn lẫn với nhau với tốc độ quá nhanh sẽ dẫn đến hiện tƣợng kết tủa nhƣ hình 3.2. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.1. Kết quả phân tích UV-Vis
3.1.1.1. Khảo sát theo dung môi và tỷ lệ mol giữa nƣớc và chất hoạt động bề mặt
Dung môi cyclohexane
Hình 3.3: Kết quả UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi cyclohexane với các tỷ lệ mol giữa nước và AOT lần lượt là =5, =7.5 và =10.
Bảng 3.1: Bảng tƣơng quan giữa với của các mẫu bạc/cyclohexane Bƣớc sóng hấp thu (nm)
5 405
7.5 427
10 430
Kết quả phân tích phổ hấp thu ở hình 3.3 và bảng 3.1 cho thấy rằng có sự xuất hiện của các đỉnh phổ tại 405 nm, 427nm và 430nm, điều này chứng tỏ có sự hiện diện của các hạt nano bạc trong dung dịch. Và qua đó còn cho thấy khi tăng tỷ lệ thì xảy ra hiện tƣợng dịch chuyển bƣớc sóng.
Dung môi isooctane
Hình 3.4: Kết quả UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi isooctane với các tỷ lệ mol giữa nước và AOT lần lượt là =5, =7.5 và =10.
Bảng 3.2: Bảng tƣơng quan giữa với của các mẫu bạc/isooctane Bƣớc sóng hấp thu (nm)
5 422
7.5 442
10 445
Các đỉnh phổ hấp thu ở 422 nm, 442 nm và 445 nm đƣợc thể hiện ở hình 3.4 và bảng 3.2 cho thấy sự hiện diện của các hạt nano bạc trong dung dịch và sự dịch chuyển bƣớc sóng khi tăng tỷ lệ .
Dung môi dodecane
Hình 3.5 và bảng 3.3 cho thấy sự xuất hiện các đỉnh phổ hấp thu đặc trƣng của bạc ở 420 nm, 432 nm và 434 nm. Đồng thời cũng thể hiện sự dịch chuyển các bƣớc sóng khi thay đổi tỷ lệ .
Hình 3.5: Kết quả UV-Vis mẫu nano bạc với dung môi dodecane với các tỷ lệ mol giữa nước và AOT lần lượt là =5, =7.5 và =10.
Bảng 3.3: Bảng tƣơng quan giữa với của các mẫu bạc/ dodecane Bƣớc sóng hấp thu (nm)
5 420
7.5 432
10 434
Nhận xét:
Dựa vào kết quả phân tích phổ hấp thu UV-Vis của các dung dịch nano bạc với các dung môi khác nhau, chúng ta đều thấy sự xuất hiện của các đỉnh phổ đặc trƣng của bạc với bề rộng phổ tƣơng đối dài và đối xứng, chứng tỏ các hạt nano tạo thành có dạng hình cầu. Ngoài ra, ở tất cả các mẫu còn xuất hiện một đỉnh phổ ở 379 nm. Đỉnh này thể hiện rõ nhất ở hình 3.3 với dung môi cyclohexane, đỉnh này cho thấy ngoài cấu trúc hình cầu ra, các hạt nano bạc tạo thành còn có hình dạng lăng kính (nanoprimes).[21],[28], [37]
Đồng thời, khi tăng tỷ lệ mol giữa nƣớc và chất hoạt động bề mặt AOT thì bƣớc sóng hấp thu cũng dịch chuyển dần về phía bƣớc sóng dài (bƣớc sóng đỏ - red shift). Theo hiệu ứng giam giữ lƣợng tử, khi kích thƣớc hạt tăng dần thì bƣớc sóng hấp thu sẽ dịch chuyển về phía bƣớc sóng dài và ngƣợc lại, khi kích thƣớc hạt nano nhỏ, bƣớc sóng hấp thu chuyển về bƣớc sóng ngắn (bƣớc sóng xanh – blue shift).
Nhƣ vậy, các kết quả trên khá hợp lý, vì khi tăng tỷ lệ mol giữa nƣớc và chất hoạt động bề mặt có nghĩa là giảm nồng độ chất hoạt động bề mặt. Khi đó, AOT không đủ mạnh để bảo vệ hạt, lớp AOT sẽ bị mở ra, các hạt nano vừa hình thành kết hợp lại với nhau tạo nên các hạt nano tƣơng đối lớn với kích thƣớc phân tán rộng. Kết luận này phù hợp với những báo cáo trƣớc đây về đề tài nano bạc [36],[37],[44],[49].
3.1.1.2. Khảo sát theo sự thay đổi nồng độ AgNO3
Hình 3.6: Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc theo sự thay đổi nồng độ AgNO3 khi
sử dụng dung môi dodecane với tỷ lệ =5 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.4: Bƣớc sóng hấp thu của dung dịch nano bạc theo nồng độ AgNO3
AgNO3 Bƣớc sóng hấp thu (nm)
01 M 420
0.2 M 439
Hình 3.6 cho thấy khi tăng nồng độ AgNO3 từ 0.1 đến 0.2 M thì bƣớc sóng hấp thu cũng tăng từ 420nm đến 439 nm. Điều này có thể giải thích, theo lý thuyết động học, do khi tăng nồng độ, dễ dàng có sự va chạm giữa các hạt bạc với nhau làm cho kích thƣớc của các hạt keo nano bạc tăng dần lên.
3.1.2. Kết quả phân tích TEM
Tiến hành phân tích kết quả đo TEM của các mẫu dung dịch nano bạc với các dung môi khác nhau trong cùng điều kiện =5.
Hình 3.7: Ảnh TEM của dung dịch nano bạc với dung môi cyclohexane
Hình 3.9: Ảnh TEM của dung dịch nano bạc với dung môi dodecane
Nhận xét:
Các hình 3.7, 3.8 và 3.9 thể hiện ảnh TEM của các dung dịch nano bạc ở thang đo 100 nm và 20nm. Nhìn chung ở các hình đều cho thấy các hạt nano bạc phân bố rải rác chứng tỏ AOT đã làm tốt vai trò chất bảo vệ, ngăn không cho các hạt nano bạc kết lại với nhau tạo thành đám.
Các hạt nano bạc sau khi tạo thành có dạng hình cầu và có kích thƣớc hạt trên dƣới 5nm. Tuy nhiên, các hạt nano bạc tạo đƣợc trong dung môi dodecane lại có hình dạng đồng đều hơn so với trong dung môi cyclohexane và isooctane. Dựa vào công thức phân tử của các dung môi, nhận thấy dodecane có chuỗi cacbon tƣơng đối dài với 12 nguyên tử cacbon. Các chuỗi cacbon dài dẫn đến độ nhớt dung môi cao, vì vậy làm cho các phân tử trở nên khó khăn trong việc thâm nhập vào các lớp bề mặt. Kết quả là sự tƣơng tác giữa bề mặt và dung môi sẽ giảm, làm cho hạt nano bạc sau khi tạo thành có dạng hình cầu tƣơng đối đồng đều hơn.[50]
Trong thực tế, việc tổng hợp các hạt nano bạc trong dung môi dodecane có một sự ổn định tốt hơn, có thể bảo quản trong vài tháng mà không kết tủa. Kết luận này đƣợc thể hiện ở hình 3.10.
Hình 3.10: Ảnh TEM của dung dịch nano bạc với dung môi dodecane sau thời gian 4 tháng.
So sánh ảnh TEM của mẫu dung dịch nano bạc với dung môi dodecane tạo thành ngày 23/02/2012 (ký hiệu: MAU_2302, comment:dodecane Ag) chụp ngày 26/02/2012 (hình 3.9) và ngày 27/06/2012 (hình 3.10), ta thấy các hạt nano bạc trong dung dịch sau thời gian 4 tháng không thay đổi nhiều về hình dạng và kích thƣớc.
3.1.3. Kết quả kiểm tra hàm lƣợng bạc thực tế trong mẫu Bảng 3.5: Hàm lƣợng bạc thực tế trong dung dịch Bảng 3.5: Hàm lƣợng bạc thực tế trong dung dịch
Dung dịch Nồng độ bạc (ppm)
Ag/cyclohexane 33.69
Ag/isooctane 49.81
Ag/dodecane 36.26
Bảng (3.5) thể hiện hàm lƣợng bạc thực tế trong các mẫu với tỷ lệ gữa nƣớc và AOT là ɷ=5.
3.1.4. Kết quả phân tích khả năng diệt khuẩn
Các dung dịch nano bạc sau khi phân tích, hàm lƣợng thực tế trong mẫu sẽ đƣợc đem đi pha loãng với dung môi ở các nồng độ khác nhau và đƣợc tiến hành phân tích khả năng kháng khuẩn.
(a) (b)
Hình 3.11: Hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano bạc với các dung môi khác nhau (a): Dung môi cyclohexane; (b): Dung môi dodecane
Bảng 3.6: Hiệu suất diệt khuẩn của các dung dịch bạc ở những nồng độ khác nhau
Dung dịch Pha loãng Nồng độ Ag
(ppm)
Kết quả sau khi tiếp xúc 3 phút Vi khuẩn còn sống (CFU/mL) Hiệu suất diệt khuẩn Đối chứng 9 x 107 Ag/cyclohexane Tỷ lệ ban đầu 33.69 <1 99,9999% 2 lần 16.85 <1 99,9999% 5 lần 6.74 <1 99,9999% 10 lần 3.37 <1 99,9999% Ag/dodecane Tỷ lệ ban đầu 36.26 <1 99,9999% 2 lần 18.13 18 99,9999% 5 lần 7.25 122 99,9998% 10 lần 3.63 1,5 105 99,8333% Ag/isooctane Tỷ lệ ban đầu 49.81 <1 99,9999% 2 lần 24.91 19 99,9999% 5 lần 9.96 192 99,9998% 10 lần 4.98 2,2 105 99,7556%
Bảng (3.6) thể hiện hiệu quả diệt khuẩn của các dung dịch nano bạc với các dung môi khác nhau đƣợc pha loãng ở những nồng độ khác nhau. Kết quả cho thấy dung dịch chứa nano bạc có tính diệt khuẩn rất tốt. Đặc biệt là với dung môi cyclohexane, khả năng diệt khuẩn thể hiện rõ rệt ở nồng độ 3.37 ppm với hiệu suất lên đến 100%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khả năng diệt khuẩn cao có thể giải thích là do các hạt nano bạc tạo thành có dạng hình cầu và có kích thƣớc nhỏ. Do đó chỉ cần sử dụng với một lƣợng nhỏ, nano bạc đã có thể diệt đƣợc gần nhƣ hoàn toàn vi khuẩn.
Tóm lại:
Từ các kết quả phân tích phổ UV-Vis, TEM và hiệu suất diệt khuẩn nhƣ trên, có thể kết luận rằng chúng tôi đã tổng hợp thành công dung dịch nano bạc bằng phƣơng pháp vi nhũ tƣơng với các lựa chọn sau đây:
Chất hoạt động bề mặt là AOT Dung môi đƣợc sử dụng là dodecane
Tỷ lệ mol giữa nƣớc và chất hoạt động bề mặt là =5 Tỷ lệ mol giữa AgNO3 và NaBH4 là 1:1
Nồng độ dung dịch AgNO3 và NaBH4 sử dụng là 0.1M và 0.2M
3.2. Kết quả tạo màng và bột TiO2:Ag 3.2.1. Kết quả phân tích mẫu màng 3.2.1. Kết quả phân tích mẫu màng
I
Hình 3.13: Phổ UV-Vis của sol TiO2:Ag
So sánh bờ hấp thu của sol TiO2 và TiO2:Ag ta thấy bờ hấp thu của sol TiO2 pha tạp 5% khối lƣợng bạc (trong dung dịch nano bạc) xuất hiện vùng phổ kéo dài từ 400 đến 500 nm, phù hợp với kết quả khảo sát phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc trong phần 3.1. Trên. Điều này chứng tỏ, các hạt nano bạc đã hình thành trong mạng lƣới của TiO2.
Hình 3.14: Phổ UV-Vis của các màng TiO2:Ag khi nung ở 600oC
Quan sát tiếp hình (3.14), ta thấy ở đƣờng cong hấp thụ của TiO2 không có các đỉnh hấp thụ ở vùng quang phổ ~ 400nm, nhƣng ở đƣờng cong hấp thụ của màng TiO2:Agđã xuất hiện peak phổ tại bƣớc sóng ~ 400 nm. Đỉnh hấp thụ này là do sự cộng hƣởng Plasmon bề mặt (SPR), do tƣơng tác của trƣờng điện từ với các điện tử
dẫn của các hạt nano bạc phân tán trên ma trận TiO2. Qua đó cũng chứng minh đƣợc rằng, các hạt nano bạc bám dịnh tốt và nằm ổn định trong mạng lƣới TiO2.
3.2.2. Kết quả phân tích mẫu bột
Hình 3.15: Sự kết khối của sol TiO2:Ag ở nhiệt độ phòng
Hình 3.16: Các mẫu bột TiO2:Ag
Phổ XRD của các mẫu bột TiO2:Ag ở hình 3.17, ta thấy xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ở 25.3o, 48.12o, 55.04o, 62.74o ứng với các đỉnh đặc trƣng pha Anatas của TiO2, đỉnh ở 54.3o ứng với pha Rutile của TiO2. Đồng thời ở 38.12o ta thấy xuất hiện 1 đỉnh nhiễu xạ, đó chính là đỉnh đặc trƣng của bạc. Điều này, lại một lần nữa khẳng định sự tồn tại của bạc trong nền TiO2.
Tóm lại: bƣớc đầu chúng tôi đã tổng hợp đƣợc các mẫu màng và bột TiO2:Ag.
CHƢƠNG 4:
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
4.1. Kết luận:
Với những kết quả đã đạt đƣợc, luận văn cơ bản đã hoàn thành các mục tiêu đề ra:
Tổng hợp thành công hạt nano bạc bằng phƣơng pháp vi nhũ tƣơng. Các hạt nano bạc sau khi tạo thành có cấu trúc hình cầu khá đồng nhất, kích thƣớc nhỏ (chỉ trên dƣới 5nm), phân bố đồng đều trong dung dịch, và có độ ổn định tốt và có thể bảo quản ở nhiệt độ phòng trong vài tháng. Nhờ có kích thƣớc nhỏ và phân tán đều trong dung dịch nên diện tích bề mặt của các hạt nano bạc tăng lên rất nhiều và do đó có khả năng diệt khuẩn rất tốt. Chỉ với nồng độ 3.37 ppm (với dung môi cyclohexane), dung dịch nano bạc đã có thể diệt đến gần 100% lƣợng vi khuẩn
Escherichia coli trong thí nghiệm chỉ sau 3 phút tiếp xúc.
Bƣớc đầu chế tạo đƣợc vật liệu TiO2:Ag, đặc biệt là đƣa ra đƣợc quy