THỰC NGHIỆM
Điều chế dung dịch chứa nano bạc
2.1.1 Nguyên liệu và thiết bị
- Muối Bạc nitrat AgNO 3 (PA, Shanghai Chemical Co.,Trung Quốc);
- Chất ổn định PVP, Mw = 400.000 (Merck, Đức);
- Chất khƣ̉ Sodium borohydride NaBH4 (Kanto chemical, Nhật);
- Than gáo dừa hoạt tính, than tre hoạt tính;
- Các hóa chất khác: Dạng tinh khiết phân tích;
- Máy siêu âm (Đức) tại Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
- Máy chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscopy- TEM), JEM1010, JEOL, Nhật bản tại Viện Vệ Sinh Dịch Tễ Trung Ƣơng Hà Nội
- Máy đo nhiễu xạ tia X của viện Khoa học vật liệu- Viện Khoa học công nghệ Việt Nam
- Nguồn chiếu xạ Gamma Co – 60, SVST Co – 60/B, Hungary, suất liều 1,3kGy/giờ tại trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, Tp HCM
Để hỗ trợ nghiên cứu chế tạo vật liệu, phân tích mẫu và nuôi cấy vi sinh vật, cần sử dụng một số thiết bị và dụng cụ thiết yếu.
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
2.1.2 Điều chế dung dịch chứa nano bạc bằng phương pháp khử hóa học kết hợp siêu âm
Dung dịch 1: Nước cất + cồn tuyệt đối
Dung dịch 2: Dung dịch muối bạc AgNO 3
Dung dịch 3: Hòa tan PVP (Mw = 400000) vào dung dịch 1, thu đƣợc dung dịch 3 Dung dịch 4: Dung dịch chất khử: Dung dịch NaBH 4 10 -3 M
2.1.2.2 Quy tri ̀nh điều chế
Quá trình thực nghiệm có thể đƣợc biểu diễn theo sơ đồ sau:
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình điều chế dung dịch chứa nano bạc bằng phương pháp khử hóa học kết hợp siêu âm
Nhỏ từ từ dung dịch bạc nitrat vào dung dịch PVP dưới điều kiện sóng siêu âm với công suất 250 W và tần số 20 kHz, chúng ta thu được dung dịch.
A Nhỏ từ từ dung dịch ch ất khử NaBH 4 (dung dịch 4) vào dung dịch A ở trên k ết hợp
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
Sau khi thực hiện 31 lần siêu âm để loại bỏ chất khử, quá trình khử bạc ion thành bạc kim loại được hoàn tất Tiếp theo, dung dịch thu được được chuyển sang máy khuấy cơ và khuấy trong 30 phút để đảm bảo quá trình khử diễn ra hoàn toàn Dung dịch cuối cùng có màu vàng đậm.
2.1.3 Điều chế dung dịch chứa nano bạc bằng phương pháp bức xạ
Mẫu dung dịch chứa nano Ag được điều chế bằng phương pháp bức xạ theo quy trình của tài liệu [1]
* Nguyên lý của phương pháp
Hòa tan PVP hoàn toàn trong nước hoặc nước nóng, sau đó để nguội đến nhiệt độ phòng Tiếp theo, bổ sung etanol và khuấy đều Từ từ thêm bạc nitrat vào dung dịch với nồng độ đã định, khuấy đều và chuyển vào ống nghiệm Đậy kín và chiếu xạ tia Gamma Co–60 để khử bạc ion, thu được dung dịch chứa bạc nano.
Quá trình thực nghiệm có thể đƣợc biểu diễn theo sơ đồ sau:
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình điều chế dung dịch chứa nano bạc bằng phương pháp khử hóa bức xạ
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
Chế tạo vật liệu bạc nano sử dụng chất mang than hoạt tính
- Than hoạt tính: Than gáo dừa hoạt tính, silic cacbon
Dung dịch chứa nano bạc được sản xuất qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp khử hóa học kết hợp với siêu âm và phương pháp bức xạ.
- Cối nghiền, thiết bị gia nhiệt
2.2.2 Chế tạo vật liệu Ag/than hoạt tính
- Nghiền mịn than hoạt tính
Dung dịch chứa nano bạc được siêu âm trong 15 phút với công suất 250W nhằm phân tán đồng đều các hạt bạc Trong quá trình này, cần duy trì ổn định ở nhiệt độ phòng và tránh ánh sáng chiếu vào.
Sau khi siêu âm, dung dịch bạc được tẩm lên than hoạt tính bằng phương pháp tẩm khô, nhằm thu được các vật liệu có nồng độ bạc theo phần trăm khối lượng là 0,1%, 0,3%, 0,5%, 0,7% và 1%.
Trong quá trình tẩm lên than hoạt tính, dung dịch chứa nano bạc cần đƣợc khuấy mạnh liên tục tránh hiện tƣợng keo tụ các hạt bạc.
Các phương pháp đặc trưng
2.3.1 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Nguồn phát xạ tại đỉnh phát ra chùm điện tử, được tăng tốc trong môi trường chân không cao và tác động lên mẫu mỏng sau khi đi qua tụ kính Mức độ tán xạ của chùm điện tử phụ thuộc vào vị trí và loại mẫu Mật độ điện tử dưới bề mặt mẫu phản ánh tình trạng của mẫu, với hình ảnh được phóng đại qua các thấu kính trung gian và thu nhận trên màn huỳnh quang Với độ phân giải cao khoảng 1 Å và độ phóng đại từ 50x đến 1.500.000x, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu các mẫu nhỏ.
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
Hình 2.3: Mô hình phương pháp TEM
Cấu tạo chính của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) bao gồm cột kính với các bộ phận như súng điện tử, tụ kính, buồng đặt mẫu, hệ thống thấu kính tạo ảnh, buồng quan sát và bộ phận ghi ảnh Cột kính hoạt động trong môi trường chân không cao với áp suất từ 10 -5 đến 10 -6 torr Để đảm bảo quá trình làm việc liên tục, TEM còn có hệ thống bơm chân không, hệ thống điện, điện tử và hệ thống điều khiển bằng máy tính Các thông số đặc trưng của phương pháp này bao gồm hệ số phóng đại M, độ phân giải δ và điện áp gia tốc U Thiết bị TEM JEM1010 nổi bật với các thông số M cao.
+ Thực nghiệm: Đƣợc tiến hành trên máy JEM1010, JEOL-Nhật Bản với độ phân giải 3 A o , điện thế gia tốc 80 kV, phim âm bản FUJILM kích thước 8,2 x 11,8 cm
+ Tính toán kích thước và phân bố kích thước hạt:
Kích thước và phân bố kích thước hạt bạc nano được xác định thông qua hình ảnh TEM Mỗi mẫu bao gồm việc đếm từ 500 đến 1000 hạt (khoảng 5 ảnh TEM) bằng cách sử dụng phần mềm Photoshop CS2, phiên bản 9.0, cùng với thuật toán xử lý dữ liệu thống kê.
- Kích thước hạt bạc nano trung bình (d tb , nm) được xác định theo công thức:
(II.1) Trong đó: d i (nm) là giá trị giữa tổ thứ I của số tổ k n i là số hạt đếm đƣợc ( tần số) của tổ i
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
Trong đó: x i (nm) là giá trị của d tb của mỗi ảnh
X là giá trị trung bình của các d tb n số lƣợng ảnh của một mẫu t tra bảng student với bậc tự do v= n-1, = 95 %
Kích thước hạt bạc nano trung bình của mẫu : d tb = X d tb (nm)
– So sánh sự khác biệt theo chuẩn student :
(II.3) t lt : tra bảng student với độ bậc tự do v = n 1 + n 2 – 2 ( P = 95 % )
Nếu t tn ≤ t lt thì hai giá trị trung bình trên không có sự khác biệt tin cậy
Nếu t tn t lt thì hai giá trị trung bình trên có sự hơn kém nhau rõ rệt
Bài viết này so sánh sự khác biệt giữa nhiều giá trị trung bình theo tiêu chuẩn Student, sử dụng phần mềm MSTATC để tính toán giá trị LDS, đại diện cho sự khác biệt tối thiểu có ý nghĩa thống kê với mức xác suất tin cậy P = 95% Kết quả cho thấy sự khác biệt này có thể được xác định rõ ràng thông qua các phân tích thống kê.
(II.4) Trong đó: S E 2 là phương sai ngẫu nhiên
2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét phát xạ (FE-SEM)
FE-SEM hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như SEM, nhưng khác biệt ở chỗ nó sử dụng nguồn phát ion nhiệt với dòng điện để làm nóng dây tóc Nhờ vào súng phát xạ, FE-SEM cung cấp hình ảnh sắc nét hơn và đạt độ phân giải dưới 2 nm.
FE-SEM đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ nano [18]
Nguyên tắc phương pháp: Ảnh hiển vi điện tử quét là dùng chùm tia điện tử để tạo ảnh
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
Phương pháp SEM cho phép đạt độ phóng đại theo yêu cầu trên mẫu nghiên cứu bằng cách sử dụng chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quay Khi chùm tia điện tử va chạm với bề mặt mẫu, nó phát ra các điện tử phát xạ thứ cấp Những điện tử này được gia tốc và chuyển đổi thành tín hiệu ánh sáng, sau đó được khuếch đại và hiển thị trên màn hình Độ sáng trên màn hình phụ thuộc vào số lượng điện tử thứ cấp phát ra và đặc điểm bề mặt của mẫu SEM không chỉ cung cấp kích thước trung bình của các hạt xúc tác mà còn cho thấy hình dạng của hạt vật liệu.
Kỹ thuật chuẩn bị mẫu cho ghi ảnh hiển vi điện tử quét bao gồm các bước phân tán mẫu bằng etanol, sấy khô, phủ lớp mẫu lên giá phản ứng, và cuối cùng là phủ một lớp vàng cực mỏng lên bề mặt mẫu Các mẫu này được phân tích bằng máy Jeol JSM-7500F.
2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được hình thành từ các nguyên tử hoặc ion phân bố đều trong không gian theo quy tắc nhất định Khi chùm tia Rơnghen (X) chiếu vào bề mặt tinh thể và thâm nhập vào mạng tinh thể, nó hoạt động như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành các tâm phát ra tia phản xạ.
Hình 2.4: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên bề mặt tinh thể
Các nguyên tử và ion được phân bố trên các mặt song song, dẫn đến hiệu quang trình của hai tia phản xạ trên các mặt này được tính bằng công thức Δ-sinθ.
Trong đó: d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song
là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
là hiệu quang trình của hai tia phản xạ
Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng song song cùng pha, hiệu quang trình cần bằng nguyên lần độ dài sóng (λ), được biểu diễn qua hệ thức Vulf - Bragg: 2dsinθ = n.λ Hệ thức này là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc tinh thể, từ đó cho phép xác định cấu trúc tinh thể của chất bằng nhiều phương pháp khác nhau.
Phương pháp Laue là một kỹ thuật xác định sự định hướng của đơn tinh thể bằng cách chụp hình tia X truyền qua hoặc phản xạ từ tinh thể Trong ảnh nhiễu xạ Laue, các vết nhiễu xạ thường được sắp xếp theo các đường cong xác định Mỗi giá trị bước sóng sẽ tương ứng với nhiều giá trị d và θ thỏa mãn định luật Bragg, cho thấy rằng các đường cong xác định đi qua các vết nhiễu xạ là kết quả của sự nhiễu xạ trên các mặt tinh thể trong một vùng nhất định.
- Phương pháp tinh thể quay: giữ nguyên bước sóng, thay đổi góc tới Phương pháp này cho phép xác định hằng số mạng của đơn tinh thể
Phương pháp Debye-Scherrer (nhiễu xạ X-ray bột) là kỹ thuật quan trọng trong xác định cấu trúc tinh thể của các mẫu đa tinh thể, giữ nguyên bước sóng và thay đổi góc tới Phương pháp này sử dụng chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu và ghi lại cường độ phản xạ khi mẫu và đầu thu được quay trên đường tròn đồng tâm, từ đó thu được phổ nhiễu xạ phụ thuộc vào 2 lần góc nhiễu xạ (2θ) Đối với các mẫu màng mỏng, tia X được chiếu tới dưới góc rất hẹp để tối ưu hóa chiều dài tương tác Phương pháp này không chỉ cho phép xác định hằng số mạng của đa tinh thể mà còn xác định thành phần pha, tỷ phần pha và các tham số mạng tinh thể, đồng thời rất dễ thực hiện.
Nghiên cứu sử dụng vật liệu dạng bột nhằm xác định bản chất và độ tinh thể của vật liệu tổng hợp Để thực hiện điều này, phương pháp XRD được áp dụng thông qua phương pháp Debye-Scherrer (phân tích nhiễu xạ tia X dạng bột) với hai vùng giá trị của góc tới θ.
- Vùng giá trị thấp để xác định cấu trúc mao quản trung bình: 2 = 0-10 0
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
- Vùng giá trị cao để xác định cấu trúc zeolit: 2 = 5-50 0
Thực nghiệm : giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của tất cả các mẫu đƣợc ghi trên máy
D8-Advance và Siemen D5005 là thiết bị phát tia rơnghen sử dụng ống đồng (Cu) với bước sóng k α = 1,5406 Å Thiết bị hoạt động ở điện áp 30kV và cường độ 25 mA, với góc quét 2θ dao động từ 0-10° và 5-50° Tốc độ quét đạt 2°/phút tại nhiệt độ phòng 25°C.
2 3.4 Phương pháp xác định thành phần nguyên tố AAS
* Khái quát về phương pháp
Phương pháp AAS, viết tắt của phổ hấp thụ nguyên tử, là kỹ thuật phân tích dựa trên khả năng hấp thụ năng lượng của các nguyên tử trong trạng thái tự do dưới dạng hơi Khi nguyên tử nhận năng lượng, chúng chuyển sang trạng thái kích thích và hấp thụ năng lượng tương ứng với bức xạ mà chúng có thể phát ra Quá trình này tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử, phản ánh các mức năng lượng đặc trưng của từng nguyên tử.
Khảo sát khả năng khử khuẩn của vật liệu dựa trên phương pháp đếm khuẩn lạc
Khác với phương pháp đếm trực tiếp, phương pháp này cho phép xác định số lượng vi sinh vật sống có trong mẫu Vì lý do này, nó được gọi là phương pháp đếm.
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
39 khuẩn lạc (colony count) Phương pháp này cho phép định lượng chọn lọc vi khuẩn
2.4.1 Khử trùng dụng cụ và môi trường
* Khử trùng môi trường, dụng cụ bằng nồi hấp áp lực
Phương pháp này sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển để tăng nhiệt độ, giúp tiêu diệt cả tế bào sinh dưỡng và bào tử của vi sinh vật.
Để khử trùng hiệu quả, đầu tiên, hãy bổ sung nước đến vạch quy định ở đáy nồi Sau đó, xếp dụng cụ và vật liệu cần khử trùng vào giá và đậy kín nắp nồi hấp Mở van thông hơi giữa hai nồi và bật công tắc điện để đun nóng nồi hấp Khi nhiệt độ đạt 80°C hoặc áp suất 0,5 atm, từ từ mở van xả để đuổi hết không khí ra khỏi nồi.
* Khử trùng dụng cụ thủy tinh bằng phương pháp nhiệt độ khô
Đĩa Petri thủy tinh và ống hút thủy tinh bền với nhiệt có thể được khử trùng bằng cách sấy ở nhiệt độ 180°C trong khoảng 2 giờ Trong quá trình này, các ống hút cần được chèn nút bông không thấm nước ở đầu hút Tất cả các dụng cụ khử trùng, bao gồm đĩa Petri và ống hút, nên được gói kín bằng giấy nhôm trước khi đưa vào tủ sấy Ngoài ra, các ống hút có thể được đặt chung trong một ống bằng thép không gỉ để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình khử trùng.
2.4.2 Quy trình của phương pháp đếm khuẩn lạc
Sau đây là quy trình thao tác xác định mật độ tế bào bằng phương pháp đếm khuẩn lạc Pha loãng mẫu theo dãy thập phân:
Hình 2.5: Phương pháp pha loãng theo dãy thập phân
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
Mẫu được pha loãng tuần tự theo các nồng độ thập phân như 1/10, 1/100, 1/1000 bằng cách thêm 1ml mẫu vào 9ml nước trong ống nghiệm, sau khi lắc kỹ sẽ đạt nồng độ 1/10 Có thể sử dụng các thể tích khác như 0,5ml + 4,5ml hoặc 0,1ml + 0,9ml trong ống eppendorf Để pha loãng 100 lần, có thể kết hợp 0,1ml + 9,9ml hoặc 0,05ml + 0,495ml Việc thực hiện dãy nồng độ pha loãng bậc 10 liên tiếp là cần thiết để đạt được nồng độ pha loãng thích hợp.
*Tạo hộp trải hay hộp đổ
Sau khi tạo hộp ta ủ ở thời gian, nhiệt độ thích hợp
Mật độ tế bào vi sinh vật trong mẫu ban đầu tính từ số liệu của độ pha loãng D i đƣợc tính theo công thức là:
Trong đó A i là số khuẩn lạc trung bình/ đĩa, D i là độ pha loãng và V là dung tích huyền phù tế bào cho vào mỗi đĩa (ml)
Mật độ trung bình M i trong mẫu ban đầu là trung bình cộng của M i ở các nồng độ pha loãng khác nhau
Công thức trên được sử dụng khi cả hai đĩa có cùng độ pha loãng cho số lượng khuẩn lạc phù hợp Khi chỉ có một độ pha loãng, cặp đĩa với số lượng khuẩn lạc từ 25 đến 250 khuẩn lạc/đĩa sẽ phản ánh mật độ vi sinh vật trong mẫu Nếu có từ hai mẫu pha loãng trở lên, mỗi độ pha loãng có cặp đĩa cho số lượng khuẩn lạc thích hợp, thì mật độ vi sinh trong mẫu sẽ là trung bình cộng của các giá trị Mi.
Quy trình đánh giá hoạt tính khử khuẩn E.Coli và Coliforms của vật liệu Ag/Than hoạt tính
Các bước tiến hành thí nghiệm để đánh giá hoạt tính khử khuẩn E.Coli, Coliforms của vật liệu Ag/Than hoạt tính đƣợc thực hiện nhƣ sau:
- Cân 0,1g vật liệu vào ống nghiệm
- Bổ sung 10ml nước cất, lắc đều
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam
- Hút 1ml dung dịch này cho vào 49ml nước cất và lắc đều
Lấy 4,5ml dung dịch thu đƣợc ở trên cho vào ống nghiệm, bổ sung 0,5ml vi khuẩn
E.Coli hoặc Coliforms vào, lắc đều và để cho vi khuẩn tiếp xúc trong 10 phút
- Trung hòa bằng muối và tiến hành phân tích
Trần Thị Bích Hạnh Viện Hóa học - Viện KHCN Việt Nam