Hệ nam châm không cân bằng là hệ được bố trí sao cho nam châm ở giữa có cường độ không đủ mạnh để có thể kéo vào tất cả các đường sức phát ra từ các nam châm vòng ngoài bao quanh nó. Chính vì thế, một vài đường sức không được kéo vào, nó lượn uốn cong ra ngoài hướng về đế. Các điện tử dịch chuyển trên những đường sức này không bị tác động của từ trường ngang nên sẽ di chuyển hướng về đế. Khi di chuyển nó sẽ kéo theo các ion được gọi là hiện tượng khuếch tán lưỡng cực, hiện tượng này làm tăng mật độ dòng ion đến đế. Năng lượng bắn phá đế có thể tăng lên tùy vào thế phân cực âm ở đế, và đế sẽ được đốt nóng. Như vậy, đế được cấp nhiệt một cách liên tục bởi sự bắn phá của ion, do đó thích hợp cho việc tổng hợp các màng ở nhiệt độ cao.
II. 3. 5 Hoạt động
Khi thế âm được áp vào hệ, giữa Kathod (bia) và Anod (đế) sinh ra một điện trường
E làm định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang điện có trong hệ. Những điện tử và ion tạo thành thác lũ điện tử, những ion đập vào kathod và giải phóng các
Hình II. 9. Hệ magnetron không cân bằng
điện tử thứ cấp, các điện tử này được gia tốc trong điện trường E đồng thời bị tác động
của từ trường ngang B, từ trường này sẽ giữ điện tử ở gần Kathod theo quỹ đạo xoắn trôn ốc. Nhờ vậy chiều dài quãng đường đi của điện tử đã được tăng lên nhiều lần trước khi nó đến anod.
Trong quá trình chuyển động của điện tử, điện tử sẽ va chạm với các nguyên tử hay phân tử khí và sinh ra những ion (sự ion hóa). Các ion này được gia tốc đến Kathod và làm phát xạ ra những điện tử thứ cấp. Như vậy, nồng độ điện tử sẽ tăng, khi số điện tử được sản sinh bằng với số điện tử mất đi do quá trình tái hợp, lúc đó phóng điện tự duy trì. Lúc này, khí phát sáng trên bề mặt bia, thế phóng điện giảm và dòng tăng nhanh. Những điện tử năng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng cao đập vào kathod làm phún xạ vật liệu bia và bức xạ các điện tử thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện. Lúc này khi tăng thế rất nhỏ dòng sẽ tăng đáng kể.
PHẦN THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG III. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày về quy trình tạo màng, quy trình đo góc thấm ướt nước và đo khả năng diệt khuẩn của màng TiO2.
Tuy nhiên, theo kết quả nghiên cứu trong nhóm trước đây, màng TiO2 đã được chế tạo thành công trên đế thủy tinh có tính năng quang xúc tác tốt ở các điều kiện phủ màng tối ưu trên hệ phún xạ magnetron không cân bằng có từ trường B = 550Gauss. Nhờ thế, màng có độ kết tinh tốt ngay trong quá trình chế tạo mà không cần ủ nhiệt. Trong thực nghiệm này chúng tôi giảm từ trường B = 300Gauss, nghĩa là khả năng không cân bằng của hệ tăng lên và tiến hành khảo sát tính năng quang xúc tác thông qua khả năng siêu thấm ướt và khả năng diệt khuẩn của màng với các thông số chế tạo màng ở tỉ lệ khí O2/Ar, fo2 = 0. 06, khoảng cách bia – đế, h = 5cm.
III. 1. QUY TRÌNH TẠO MÀNG.
Bao gồm các bước sau:
Chuẩn bị đế: Đế phải có bề mặt bằng phẳng, không trầy xước và sạch. Loại đế được chúng tôi sử dụng là thủy tinh thông thường Marienfeld được sản xuất tại Đức, kích thước 75×25×1mm. Độ truyền qua trung bình của đế là 92%.
Xử lý bề mặt đế: nhằm đảm bảo độ bám dính giữa màng và đế, loại bỏ các tạp chất bẩn hấp thụ trên bề mặt đế. Xử lý bề mặt đế bao gồm 2 bước: bước 1, lau thật sạch bằng acetone rồi sấy khô. Ở bước 2, ta sẽ đưa đế vào hệ phún xạ và tẩy đế bằng plasma phóng điện khí trong khoảng 15 phút. Thông số cho tẩy đế bằng plasma là: bia làm bằng kim loại nhôm, khoảng cách bia – đế 2cm-3cm, áp suất khí Argon cho vào khoảng 10-2 torr, thế áp vào -500V.
Xử lý bề mặt bia: bia là kim loại Titanium kích thước 80×80×6mm có độ tinh khiết 99. 99%. Điều kiện tẩy bia: thế khoảng từ -500 đến -750V, áp suất Argon trong
buồng khoảng 10-3 torr. Trong khi tẩy bia, đế được cách ly để không để Titanium kim loại làm ảnh hưởng đến bề mặt đế. Về mặt thực nghiệm, ta sẽ tiến hành tẩy bia cho đến lúc plasma có màu xanh dương đặc trưng của Titanium.
Phủ màng: các thông số chế tạo màng được thay đổi tùy theo yêu cầu nghiên cứu. Các thông số có thể thay đổi là: khoảng cách bia – đế, tỷ lệ khí làm việc (khí làm việc gồm
Argon và Oxygen), áp suất khí làm việc, thế phún xạ, dòng phún xạ, thời gian phún xạ.
III. 2. QUY TRÌNH ĐO GÓC THẤM ƯỚT CỦA MÀNG TiO2
Đối với màng mỏng Titanium Dioxide TiO2 góc tiếp xúc nước bình thường trong khoảng 60o – 100o, thay đổi tùy theo cấu trúc bề mặt. Khi được chiếu ánh sáng thích hợp, góc tiếp xúc nước của màng mỏng TiO2 sẽ giảm theo thời gian chiếu; và khi ngừng chiếu, góc này sẽ quay trở lại giá trị ban đầu sau khoảng vài tiếng. Cơ chế của hiện tượng này đã được giải thích trong phần 2. 1. 1. Hiện nay, đo góc tiếp xúc nước của TiO2 theo thời gian chiếu sáng là một công cụ phổ biến để đánh giá khả năng tự làm sạch của vật liệu này.
III. 2. 1. Hệ đo góc thấm ướt nước.
37
HìnhIII. 1. Màu xanh của plasma trong quá trình tẩy bia
Mô tả các thành phần:
Camera: là loại kính hiển vi số Dino-Lite có độ phân giải 640×480VGA, có thể zoom quang học bằng núm chỉnh tay và được nối với máy tính thông qua cổng USB.
Hình III. 2. Sơ đồ hệ đo góc thấm ướt nước
Hình III. 3. Mô hình tổng quát hệ đo
Ống nhỏ giọt nước: là loại ống bơm tiêm y tế có thể tích 10ml.
Phần mềm đo góc thấm ướt: chúng tôi chọn phần mềm FTA32 của công ty First Ten Angstroms, Inc. chuyên dùng để tính toán các thông số của chất lỏng thông qua hình dạng giọt nước.
III. 2. 2. Các bước thực hiện đo.
Chuẩn bị: màng được lau sạch bằng acetone và sấy khô, đồng thời bảo đảm hệ đo vận hành tốt (gá đặt mẫu nằm song song mặt đất để tránh làm méo giọt nước, zoom camera để thấy rõ hình giọt nước).
Thực hiện: dùng ống nhỏ 1 giọt nước lên mẫu mặt có màng, đảm bảo vị trí các lần nhỏ là trùng nhau và thể tích các giọt nước gần giống nhau. Hình ảnh giọt nước được
Hình III. 4. Giao diện dùng để đo góc tiếp xúc nước của phần mềm FTA32
chụp lại bằng phần mềm hỗ trợ camera Dino-Lite. Sau cùng, ảnh này được đưa vào phần mềm FTA32 để xác định góc tiếp xúc nước.
Trong luận văn này, để nghiên cứu khả năng siêu thấm ướt của màng TiO2 chúng tôi tiến hành đo góc thấm ướt nhiều lần sau mỗi thời gian chiếu sáng cách đều nhau. Tuy nhiên, việc để giọt nước ra ngoài không khí quá lâu sẽ dẫn đến hiện tượng bay hơi, làm thay đổi góc thấm ướt. Phương pháp chúng tôi chọn để khắc phục là chiếu nhiều lần và đo khi chiếu đủ thời gian. Ví dụ để đo góc thấm ướt sau khi chiếu các khoảng thời gian 30 phút, 60 phút, 90 phút; chúng tôi sẽ đo sau khi chiếu 30 phút, sau đó lau màng bằng acetone, sấy khô rồi tiếp tục chiếu 60 phút, đo để lấy kết quả ứng với thời gian chiếu là 60 phút. Sau đó, tiếp tục lau màng bằng acetonesấy khô rồi chiếu 90 phút để đo lấy kết quả cho 90 phút.
Để đánh giá sai số của phương pháp này, chúng tôi chọn một màng và tiến hành đo góc thấm ướt nước lặp lại với số lần đủ lớn. Các số liệu đo được sẽ mang tính thống kê, và qua đó thu được một ước lượng sai số chính xác. Từ bảng số liệu ta có nhận xét:
Góc nước trung bình cho 30 lần đo là 74 độ
Các góc nước thay đổi từ 70 đến 77 độ
Do vậy, ta có thể kết luận sai số của cả quá trình tiến hành đo góc thấm ướt là 7 độ, tức là khi ta đo được một góc nước là x độ, thì có nghĩa góc nước thực sự nằm trong khoảng x ± 5 độ. Ta cũng
Bảng III. 1. Bảng số liệu đánh giá sai số
chú ý rằng chỉ có thể kết luận góc nước này nhỏ hơn góc nước kia khi chúng chênh lệch nhau quá 5 độ.
III. 3. QUY TRÌNH ĐO KHẢ NĂNG DIỆT KHUẨN.
Trong khuôn khổ của bài luận văn này, chúng tôi thực hiện việc khảo sát dựa vào các thao tác vi sinh. Được thực hiện ở phòng thí nghiệm vi sinh, thuộc khoa Sinh học trường ĐH KHTN, ĐH Quốc Gia Tp. HCM.
Sơ đồ phép đo:
III. 3. 1. Chuẩn bị môi trường.
III. 3. 1. 1. Môi trường lỏng tăng sinh.
Môi trường lỏng này dùng để tăng sinh vi khuẩn E. coli chứa đầy đủ các nguyên tố vô cơ và hữu. Thành phần của môi trường gồm:
Cao thịt( meat extract power – india) 5g
Pepton ( TQ ) 10g
NaCl 5g
Nước cất 1000ml
UV
Hình III. 5. Quy trình đo diệt khuẩn
Tạo khuẩn lạc Kết quả
Dùng erlen chứa khoảng 3ml dung dịch lỏng môi trường tăng sinh (được hấp vô trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 1210C trong vòng 20 phút) và được giữ kín bằng nút bông không thấm nước trên có bọc giấy nhôm để đảm bảo các bào tử bên ngoài không thể xâm nhập. Sau đó đẻ nguội 45 phút
Cấy giống từ thạch nghiêng có sẵn giống E. coli sang môi trường lỏng vừa hấp tiệt trùng để nguội. Quá trình này được thao tác trong một không gian vô trùng (được tạo bởi ngọn lửa đèn cồn).
Đem bình môi trường có sinh khối này đặt vào máy quay, quay với tốc độ 150 vòng/ phút trong vòng 17 – 18 giờ để tăng sinh.
III. 3. 1. 2. Môi trường nuôi cấy khuẩn lạc.
Mụch đích môi trường này: tạo môi trương cho những vi khuẩn còn lại sau khi thí nghiệm quang xúc tác biến thành khuẩn lạc
Thành phần môi trường bao gồm:
Cao thịt ( meat extract power – india) 5g
Pepton( TQ) 10g
NaCl 5g
Agar ( hiệu Con Cá – Thái Lan) 20g
Nước cất 1000ml
Loại môi trường này cũng là môi trường dinh dưỡng, có thành phần tương tự như môi trường lỏng tăng sinh và được thêm 20g agar nhằm để tạo độ cứng cho quá trình trải tạo khuẩn lạc. Và cũng được khử trùng ở độ 1210C trong vòng 20 phút
Sau khi môi trường được lấy ra từ nồi hấp vặn chặt nắp chai để khỏi bị nhiễm những sinh vật không cần thiết.
Tốt nhất đổ đĩa ngay hoặc nên được bảo quản trong tủ lạnh ở 40C
III. 3. 3. Quy trình khảo sát khả năng diệt khuẩn của màng TiO2.
III. 3. 3. 1.Chuẩn bị thí nghiệm.
- Mẫu được lau sạch với acetone, sấy khô.
- Lamen đã được vô trùng. ( Lamen được tạo thành từ chất pyrex – có thể cho ánh sánh tử ngoại truyền qua)
- Đĩa petri đã được khử trùng để đựng mẫu
- Pipetman (dụng cụ để hút dung dịch theo dung tích tùy chọn) 100µl, 1000µl và đầu tip tương ứng đã được khử trùng.
- Hộp chứa bằng giấy (20 x 20 x 20)cm3 có nắp đậy. Bên trên trang bị đèn UVA (380nm-315nm, hay gọi là sóng dài hay "ánh sáng đen", 99% tia cực tím đến được mặt đất là thuộc dạng UVA) công suất 9W (Philip).
- Bình chứa thủy tinh bên trong có nước 10 ml cất đã được vô trùng được đậy chặt bằng nút bông và giấy nhôm.
- Đèn cồn, kẹp gắp được vô trùng trên ngọn đèn cồn.
III. 3. 3. 2 Thực hiện.
Hình III. 6. Một số dụng cụ thí nghiệm
Bố trí các mẫu được phủ màng và một mẫu lam không được phủ màng vào các đĩa petri trong hộp chứa.
Dùng pipetman 100µl và đầu típ hút 20µl dung dịch lỏng đã tăng sinh nhỏ lên các mẫu
Dùng kẹp gắp lamen thả cận thận lên các mẫu, mục đích tạo sự đồng đều dung dịch có chứa E. coli trên các mẫu để tăng khả năng tiếp xúc của vi khuẩn và bề mặt màng nơi diễn ra các phản ứng phân hủy các hợp chất hữu cơ.
Bật đèn UV chiếu trong 30 phút.
Sau 30 phút tắt đèn, dùng kẹp gắp cả mẫu và lamen bên trên cho vào từng bình chứa riêng biệt. Đánh số thứ tự.
III. 3. 2. 3. Tạo và đếm khuẩn lạc.
Pha loãng liên tiếp bậc 10 dung dịch trong bình chứa
Bình chứa có màng và lamen đuợc lắc mạnh để các vi sinh vật còn sống sót sau quá trình diệt bằng màng TiO2 và ánh sáng tử ngoại có thể phân tán vào trong môi trường nước cất vô trùng. Độ pha loãng của bình chứa này là 10-1.
Rút 0. 5ml dung dịch lỏng trong bình chứa cho vào ống nghiệm chứa 4. 5ml nước cất tiệt trùng. Độ pha loãng của ống nghiệm này là 10-2.
Dùng pipetman và đầu tip vô trùng, thao tác vô trùng chuyển 50µl dung dịch chứa hỗn hợp vi sinh trong các bình chứa và ống nghiếm lên bề mặt môi trường trong hộp petri.
Dùng thanh gạt thủy tinh, thao tác vô trùng, trải đều vi sinh vật lên bề mặt môi trường.
Gói hộp petri, ủ ở 370C trong tủ ấm khoảng 2 ngày.
Mỗi tế bào riêng biệt sẽ tăng trưởng thành khuẩn lạc đơn.
Đếm khuẩn lạc xuất hiện ở mỗi hộp petri.
∗ Tính số khuẩn lạc có trong ml dung dịch từ số liệu của độ pha loãng như sau: Ndi = A x di
(tế bào/ml mẫu)
A: Số khuẩn lạc đếm được trên đĩa. d: Số lần pha loãng i
Tính mật độ tế bào trung bình từ các số liệu Ndi. Số tế bào E. coli có trong 1ml dung dịch ban đầu:
. id N n V v =
Trong đó: n: số tế bào khuẩn E. coli (cfu/ml).
( cfu/ml là là số đơn vị khuẩn lạc trong 1 ml mẫu. ) V : thể tích mẫu đem trải trên đĩa (0. 05ml).
v : thể tích mẫu hút để khảo sát (0. 02ml).
id
N : số khuẩn lạc trung bình đếm được.
Bảng III.2: Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn của tia UV Lần Số khuẩn lạc ban đầu Lượng ban đầu (cfu/ml) Số khuẩn lạc sau khi chiếu Lượng sau khi chiếu (cfu/ml) Khả năng diệt (%) 1 235 2. 35×109 211 2. 11×109 10 2 41 4. 1×108 37 3. 7×108 9 3 164 1. 64×109 146 1. 46×109 11 45
Từ kết quả trên ta có thể kết luận: khả năng diệt khuẩn của tia UV khi chiếu 30 phút trung bình khoảng 10% số vi khuẩn.
Hình III. 7. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của tia UV
CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Điều kiện chế tạo màng bao gồm các thông số sau: 1) Tỷ lệ khí làm việc O2/Ar (fO2); 2) Áp suất phún xạ (p); 3) Dòng phún xạ (I); 4) Khoảng cách bia – đế (h); 5) Độ dày màng (d).
Về tỉ lệ khí: Thông số chế tạo đầu tiên ảnh hưởng nhiều đến khả năng quang xúc tác của màng là tỷ lệ khí làm việc O2/Ar, thừa hưởng kết quả từ [1, 2], luận văn này chọn giá trị cho tỷ lệ này là 0. 06.
Luận văn này cố định khoảng cách bia – đế h ở 5cm cho tất cả các lần tạo mẫu. Tăng hay giảm khoảng cách bia – đế đồng nghĩa với việc tăng hay giảm năng lượng của các hạt lên đế, mà điều này có thể thu được nhờ thay đổi các giá trị của áp suất phún xạ hoặc công suất phún xạ.
Về áp suất phún xạ cần khảo sát tại 3 giá trị là 9mtorr, 13mtorr và 16mtorr. Tuy nhiên, dầu trong bơm khuếch tán rất dễ bị đốt cháy khi áp suất trong buồng cao. Điều này làm giảm tuổi thọ của dầu khuếch tán. Với điều kiện của hệ thực nghiệm như trên, luận văn này chỉ khảo sát tại hai áp suất phún xạ là p1 = 9mtorr và p2 = 13mtorr.
Ở mỗi áp suất phún xạ, màng được khảo sát theo độ dày, thông qua khả năng quang xúc tác để tìm ra độ dày màng tối ưu. Tiếp theo, để tìm được dòng tối ưu ở áp suất này,