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, màng cũng được khảo sát theo dòng phún xạ nhưng có cùng bề dày tối ưu tìm được trước đó. Cuối cùng so sánh hai điều kiện tối ưu trên để tìm ra điều kiện tối ưu nhất.
Có thể tóm tắt đơn giản theo sơ đồ sau:
P = 13mtorr ks theo d− tìm được d1 ks theo I− tìm được I1 P = 9mtorr ks theo d− tìm được d2 ks theo I− tìm được I2
So sánh điều kiện tối ưu ở 2 áp suất trên kết luận.
VI. 1 CHẾ TẠO MÀNG Ở ÁP SUẤT P = 13mtorr
VI. 1. 1 Ảnh hưởng của độ dày màng lên tính chất quang xúc tác của màng
Để khảo sát theo độ dày, dòng phún xạ được chọn I = 0. 3A. Vì nếu chọn dòng nhỏ quá thì năng lượng nhỏ không đủ để tạo nên tinh thể. Còn nếu dòng lớn thì dễ làm cho Nitơ chèn vào màng (ở đây ta không xét đến màng có nitơ)
Bảng IV. 1. Thông số chế tạo của màng có độ dày khác nhau ở I = 0. 30A và p = 13mtorr
Mẫu I (A) V (V) p (mtorr) h (cm) d (nm) fO2
M11 0. 30 325 13 5 127 0. 06
M10 0. 30 325 13 5 194 0. 06
M9 0. 30 325 13 5 346 0. 06
M8 0. 30 325 13 5 434 0. 06
M26 0. 30 325 13 5 442 0. 06
Hình IV. 1. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M11, M10, M9, M8, M26
Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV được cho trong bảng 4. 2. Trong đó θ0 là góc thấm ướt khi chưa chiếu sáng, lần lượt θ1, θ2, … là góc thấm ướt khi tăng thời gian chiếu sáng mỗi lần 30 phút. Nguồn UV là đèn UVA của hãng Philip với công suất 1mW/cm2.
Bảng IV. 2. Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV của các màng ở I = 0. 30A và p = 13mtorr θ0 θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 M11 81 79 78 76 51 36 25 M10 83 81 78 51 48 30 17 M9 88 75 63 32 12 8 4 M8 83 67 35 33 15 12 6 M26 78 71 59 40 21 11 6
Hình IV. 2. Phổ XRD của các mẫu M11, M10, M9 và M8
49 góc
Hình IV. 3. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của các màng với I = 0. 3A và p = 13mtorr
Bảng IV. 3. kết quả diệt khuẩn của màng sau 30p chiếu UV
Màng Số tế bào vi khuẩn (cfu/ml) Khả năng diệt của màng dưới tác dụng của đèn UV (%) M11 9. 6 x 108 52 M10 5. 7 x 108 72 M9 0 100 M8 0. 7 x 108 96 M26 1. 5 x 108 92
Lượng ban đầu
(LBĐ) 20 x 10 8 51 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 30 60 90 120 150 180 M11 M10 M9 M8 M26 gĩ c ti ếp x c( độ )
Thời gian chiếu (phút)
Hình IV. 4. Sự thay đổi góc tấm ướt của các mẫu M11, M10, M9, M8, M26 theo thời gian chiếu sáng
Bàn luận kết quả đạt được:
• Từ phổ UV-VIS cho thấy độ truyền qua của các màng trong vùng ánh sáng khả kiến cao, thay đổi từ 70%-90%. Bờ hấp thụ của các màng trên đế thủy tinh nằm trong vùng ánh sáng tử ngoại.
Dựa vào phổ XRD để đánh giá độ tinh thể của các màng TiO2, cụ thể màng M11 có độ dày 127nm, ở dạng vô định hình vì không có peak nào đặc trưng cho tinh thể TiO2. Khi bề dày màng tăng đến giá trị 194nm (mẫu M10), màng đã bắt đầu đạt trạng thái tinh thể, thể hiện qua sự xuất hiện peak của anatase (101). Khi độ