intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hạt bạc có cấu trúc nano trên nền than hoạt tính và định hướng trong xử lý môi trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST
Báo xấu
25
lượt xem 5
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với mong muốn kết hợp 2 tính chất nổi bật của 2 loại vật liệu: Tính kháng khuẩn tốt của hạt nano bạc và khả năng hấp phụ mạnh của than hoạt tính, các tác giả đã chế tạo 1 loại vật liệu tổng hợp từ 2 loại vật liệu kể trên để ứng dụng những đặc tính nổi bật ở trên vào định hướng trong xử lý môi trường. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hạt bạc có cấu trúc nano trên nền than hoạt tính và định hướng trong xử lý môi trường

  1. §¹I HäC QUèC GIA Hµ NéI TR¦êNG §¹I HäC KHOA HäC Tù NHI£N NguyÔn V¨n S¬n NGHI£N CøU CHÕ T¹O H¹T B¹C Cã CÊU TRóC NANO TR£N NÒN THAN HO¹T TÝNH Vµ §ÞNH H¦íNG øNG DôNG TRONG Xö Lý M¤I TR¦êNG LUËN V¡N TH¹C SÜ KHOA HäC Hµ Néi - n¨m 2012
  2. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Lời Cảm Ơn Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn Hoàng Hải, người thầy đã tận tâm dạy dỗ, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian tôi học tập, nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Trần Quốc Tuấn, ThS. Lưu Mạnh Quỳnh và tập thể nhóm cán bộ trẻ làm việc ở Trung Tâm Khoa Học Vật Liệu, đại học Khoa Học Tự Nhiên vì những đóng góp, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Tôi xin gửi những lời tốt đẹp nhất để cảm tạ ơn dạy dỗ của các thầy, cô giáo công tác tại khoa Vật Lý, đại học Khoa Học Tự Nhiên, những người đã truyền dạy cho tôi đủ kiến thức để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi cũng dành những lời cảm ơn sâu sắc tới cán bộ viện Hóa Học – bộ Quốc Phòng và khoa Sinh Học trường đại học Khoa Học Tự Nhiên vì sự hợp tác, giúp đỡ trong quá trình chế tạo than hoạt tính và các thí nghiệm về khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới gia đình, những người thân thiết nhất của tôi, những người đã luôn bên cạnh, động viên tôi trong cuộc sống và trong những lúc khó khăn nhất. Tôi xin cam đoan về tính chân thực và khoa học của luận văn khoa học này. Nếu có bất kỳ sai sót hay thiếu trung thực nào tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, tháng 11 năm 2011 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Sơn Luận văn tốt nghiệp cao học 1
  3. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Lời nói đầu Hạt nano bạc là vật liệu nano thường được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày. Do tính chất kháng khuẩn, độ dẫn điện cao và tính chất quang học của nó mà nó có thể có nhiều ứng dụng khác nhau [1]. Tại kích thước nanomet, hạt bạc có diện tích bề mặt rất lớn do vậy hoạt tính của nó rất mạnh. Hầu hết các loại vi khuẩn đã phát triển để kháng lại những loại thuốc kháng sinh. Do đó, có một nhu cầu cao trong tương lai để phát triển những loại thuốc thay thế cho kháng sinh hiện tại. Hạt nano bạc là một hướng phát triển hứa hẹn do nó không độc với con người ở nồng độ thấp hơn thuốc kháng sinh, có phổ kháng khuẩn rộng và không có tác dụng phụ. Về cơ chế diệt khuẩn của hạt bạc có 2 giả thuyết được đưa ra: - bạc có ái lực rất mạnh với lưu huỳnh và phốt pho, 2 nguyên tố có nhiều trên màng tế bào. Nên khi có sự xuất hiện của hạt bạc thì hoạt động tế bào bị ảnh hưởng [2]. – Ion bạc thoát ra từ hạt bạc nguyên chất, tác dụng với phốt pho có trong DNA của tế bào và làm ức chế hoạt động của enzyme [3]. Với sự phát triển của nền kinh tế, công nghiệp hóa diễn ra khắp mọi nơi trên đất nước đã khiến vấn đề môi trường ngày càng trở nên đáng lo ngại. Các nhà máy, khu công nghiệp, làng nghề đã làm ô nhiễm nguồn nước, bầu không khí một cách nặng nề. Việc xử lý nước thải, không khí ô nhiễm ở qui mô vừa và nhỏ là rất cần thiết. Than hoạt tính với đặc tính hấp phụ nổi trội đã được sử dụng rất nhiều trong các quá trình đó. Than hoạt tính là một dạng cacbon có độ xốp rất cao với diện tích bề mặt có thể lớn trên 1000 m2/g nên chúng dễ dàng hấp phụ các chất khí, các chất tan trong dung dịch. Than hoạt tính có nhiều ứng dụng khác nhau trong hóa học, môi trường và y tế. Cách chế tạo than hoạt tính lại tương đối đơn giản và rẻ tiền. Nguyên liệu đầu vào rất đa dạng, là các loài thực vật rất phổ biến ở nước ta như tre, gáo dừa, mía, trấu …và các loại than mỏ có trữ lượng lớn ở trong nước. Với diện tích bề mặt lớn, than hoạt tính hấp phụ các hóa chất dựa trên lực Van Der Waals lên bề mặt của chúng [4]. Trong môi trường, than hoạt tính được dùng để làm sạch các dung dịch Luận văn tốt nghiệp cao học 2
  4. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn điện hóa, làm sạch các khí thải độc hại, lọc sạch nguồn nước nhiễm bẩn…Trong y tế, người ta dùng than hoạt tính để khử độc, ví dụ khi bị ngộ độc thực phẩm, than hoạt tính được đổ trực tiếp vào dạ dày với khối lượng khác nhau tùy thuộc khối lượng người đó để hấp thụ hết chất độc có trong thành dạ dày và thành ruột. Sau khi hấp thụ xong chất độc, than hoạt tính sẽ được loại bỏ ra ngoài… Với mong muốn kết hợp 2 tính chất nổi bật của 2 loại vật liệu: tính kháng khuẩn tốt của hạt nano bạc và khả năng hấp phụ mạnh của than hoạt tính, chúng tôi đã chế tạo 1 loại vật liệu tổng hợp từ 2 loại vật liệu kể trên để ứng dụng những đặc tính nổi bật ở trên vào định hướng trong xử lý môi trường. Vì những lý do trên, chúng tôi chọn tên đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu chế tạo hạt bạc có cấu trúc nano trên nền than hoạt tính và định hướng trong xử lý môi trường”. Nôi dung luận văn gồm có: Lời nói đầu Chương 1: Tổng Quan Trình bày các tính chất của hạt nano bạc. Trình bày về cấu trúc của than hoạt tính. Chương 2: Thực Nghiệm Trình bày chi tiết quy trình chế tạo và các phép đo nghiên cứu tính chất của hạt nano bạc. Trình bày qui trình chế tạo than hoạt tính và các phép đo tính chất của than hoạt tính. Trình bày cách phân tán hạt nano bạc lên nền than hoạt tính. Chương 3: Kết quả và thảo luận Trình bày kết quả các phép đo nghiên cứu tính chất hạt nano bạc, than hoạt tính và hạt nano bạc phân tán trên nền than hoạt tính. Luận văn tốt nghiệp cao học 3
  5. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Kết luận Nêu những kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra và những đề xuất để hoàn thiện phương pháp chế tạo hạt nano bạc. Nêu một số định hướng ứng dụng cho vật liệu được chế tạo. Luận văn này là một công trình khoa học liên nghành giữa các cơ quan nghiên cứu, trong đó phần chế tạo than hoạt tính được thực hiện tại Viện Hóa Học và Môi Trường – Bộ Quốc Phòng, phần nghiên cứu khả năng diệt và ức chế vi khuẩn được thực hiện tại Khoa Sinh Học – ĐH KHTN. Luận văn tốt nghiệp cao học 4
  6. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Mục Lục Chương 1: Tổng Quan Vật Liệu………………………………………………..…8 I.1.Tính chất cơ bản của hạt nano bạc……………………………………...….8 I.1.1. Tính chất cấu trúc……………………………………………………...8 I.1.2. Tính chất hình thái………………………………………………….…8 I.1.3. Hiệu ứng bề mặt………………………………………………………11 I.1.4. Hiệu ứng kích thước………………………………………………….12 I.1.5. Tính chất quang ……….……………………………………………..13 I.1.5.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt……………………….13 I.1.5.3. Lí thuyết Mie và hiện tượng plasmon cộng hưởng…..………...14 I.1.5.4. Tính chất quang của hạt bạc……………………………………15 I.1.6. Tính diệt khuẩn……………………………………………………….17 I.1.6.1. Cấu trúc và hình thái của vi khuẩn………………………….…17 I.1.6.2. Cơ chế tiêu diệt vi khuẩn của hạt bạc…………………………..20 I.2. Than hoạt tính (Activated Carbon - AC)……………………………...…21 I.2.1. Sơ lược về than hoạt tính………………………………………….….21 I.2.2. Cấu trúc của than hoạt tính……………………………………….…22 I.2.2.1. Cấu trúc tinh thể……………………………………………....…22 I.2.2.2. Cấu trúc xốp……………………………………………………...23 I.2.2.3. Cấu trúc bề mặt………………………………………………….25 Luận văn tốt nghiệp cao học 5
  7. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn I.2.2.3.1. Nhóm cacbon – oxy bề mặt……………………………...27 Chương 2: Thực nghiệm………………………………………………………….30 II.1. Chế tạo hạt nano bạc (Silver nanoparticles - AgNP)…………………...30 II.2. Chế tạo than hoạt tính (AC)……………………………………………..33 II.2.1. Than hóa……………………………………………….……………..33 II.2.2. Hoạt hóa……………………………………………………………...33 II.3. Phân tán hạt nano bạc trên nền than hoạt tính (AgAC)…………...…..34 II.4. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính (AC) và than hoạt tính tẩm nano bạc (AgAC)……………………………………………………………………..…35 II.4.1. Hấp phụ xanh mêtylen (MB)………………………………………..35 II.4.2. Hấp phụ Asen……………………………………………………..…37 II.5. Thí nghiệm về khả năng kháng khuẩn………………………………….37 II.5.1 Khả năng diệt khuẩn AgAC…………………………………………38 II.5.2 Nồng độ ức chế tối thiểu của dung dịch nano bạc………………….38 II.6. Các phép đo khảo sát tính chất của hạt nano bạc và than hoạt tính….38 II.6.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X………………………………………………38 II.6.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua……………………………………..39 II.6.3. Phổ hấp thụ - truyền qua....................................................................39 II.6.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X...............................................................40 II.6.5. Đo phân bố lỗ và diện tích bề mặt của than hoạt tính (BET).........40 II.6.6. Đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)......................................................42 Luận văn tốt nghiệp cao học 6
  8. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn II.6.7. Đo thế Zeta…………………………………………………………...43 Chương 3: Kết quả và thảo luận…………………………………………………46 III.1. Cấu trúc, hình thái học và tính chất quang của AgNP, AC và AgAC………………………………………………………………………………46 III.1.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của AgNP………………………………….46 III.1.2. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của AgNP..………………………48 III.1.3. Phổ hấp thụ - truyền qua của AgNP................................................49 III.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ TSC lên kích thước AgNP……………...51 III.1.5. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện phân lên kích thước AgNP…..54 III.1.6. Than hoạt tính (Activated Carbon – AC)…………………………55 III.1.7. Than hoạt tính tẩm hạt nano bạc (AgAC)………………………...57 III.2. Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của AgNP và AgAC………………..60 III.2.1. Nghiên cứu định tính khả năng diệt khuẩn của AgNP và AgAC..60 III.2.2. Nghiên cứu định lượng khả năng kháng khuẩn của AgNP - Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC)…………………………………………………………61 III.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ của AC và AgAC……………………...62 III.3.1. Cơ chế hấp phụ MB của AC……………………………………….62 III.3.2. Ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ MB của AC………….67 III.3.3. So sánh khả năng hấp phụ của AC và AgAC……………………..68 Kết Luận…………………………………………………………………………..72 Định hướng nghiên cứu tiếp theo………………………………………………..74 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………..75 Luận văn tốt nghiệp cao học 7
  9. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Chương 1: Tổng Quan Vật Liệu I.1.Tính chất cơ bản của hạt nano bạc I.1.1. Tính chất cấu trúc Hạt bạc kim loại thường có cấu trúc tinh thể kiểu mạng lập phương tâm mặt (hình 1.1), với thông số của ô cơ sở là: a = 4.08Ǻ, b = 4.08 Ǻ, c = 4.08 Ǻ, α = 90°, β = 90°, γ = 90° [5, 14, 15]. Các nguyên tử được bố trí tại 8 đỉnh của hình lập phương tương ứng với tọa độ (000), (100), (110), (010), (001), (101), (111), (011) và 6 nguyên tử bố trí ở tâm của 6 mặt của ô cơ sở tương ứng có tọa độ (1/2 0 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2 1 1/2), (0 1/2 1/2), (1/2 1/2 0), (1/2 1/2 1). Từ đó ta có số nguyên tử trong 1 ô cơ sở là: Hình 1.1. Cấu trúc lập phương 6*1/2+8*1/8=4. Ngoài ra, hạt bạc còn tồn tại cả cấu tâm mặt. trúc lục giác [7, 17, 18]. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt bạc có cấu trúc lập phương tâm mặt (hình 1.2) xuất hiện các đỉnh đặc trưng ở vị trí 38.140, 44.340, 65.540, 77.470 tương ứng với các mặt (111), (200), (220), (311) trong phổ chuẩn nhiễu xạ tia X của hạt bạc. [19] Hình 1.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt bạc có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt [19]. Luận văn tốt nghiệp cao học 8
  10. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Nhóm không gian của hạt bạc có cấu trúc lập phương tâm mặt và lục giác lần lượt là P63/mmc(nhóm 194) và Fm -3m (nhóm 225). Nhiều công trình thực nghiệm đã công bố về phổ tán xạ Raman của hạt bạc, tuỳ điều kiện chế tạo mà trên phổ xuất hiện các đỉnh tán xạ ở số sóng khác nhau. Đặc biệt đáng chú ý là hiện tượng tăng cường tán xạ có nguồn gốc từ hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt. I.1.2. Tính chất hình thái Để thỏa mãn nguyên lí năng lượng cực tiểu, tùy điều kiện chế tạo mà hạt bạc có thể sắp xếp với nhau theo các kiểu khác nhau (hình 1.3) và hình thành nên nhiều hình dạng của hạt bạc như: hình cầu (sphere), que (rod), đĩa phẳng (plate), tam giác (triangle), dây (wire), lập phương (cubic), dạng hoa (flower), hạt gạo (rice)... Hình 1.3. Các kiểu sắp xếp khác nhau của hạt bạc [8]. Hình dạng hay gặp nhất của hạt bạc là hình cầu với đường kính từ vài tới vài chục nanômét. Hình 1.4 trình bày ảnh TEM của hạt bạc chế tạo bằng phương pháp hóa khử [6]. Gốc bạc xuất phát từ muối bạc nitrat, được khử bằng chất khử thông dụng là NaBH4. Quá trình khử hạt bạc diễn ra trên nền micells gồm (18-3(OH)- 18/n-heptane + 1-butanol/H2O) và hạt bạc sinh ra được phân tán trên nền này. Với môi trường phân tán có hoạt tính bề mặt tốt như vậy, hạt bạc hình thành dưới dạng hình cầu có đường kính trung bình 7nm và có sự phân tách rõ ràng. Hình 1.4. Ảnh TEM của hạt bạc khử từ muối bạc nitơrát bằng NaBH4 phân bố trong micell của germini. Kích thước trung bình của các hạt là 7nm [6]. Luận văn tốt nghiệp cao học 9
  11. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Dây nano bạc được chế tạo bằng cách khử muối bạc nitrat với ethylenglycol (EG) trong môi trường có chứa polyvinylpyrolidone (PVP) [8]. PVP đóng vai trò lưới bắt giữ các tác nhân để điều khiển tốc độ phát triển của các mặt phẳng mạng khác nhau, do đó tinh thể được phát triển một cách dị hướng trong một môi trường có tính đẳng hướng cao, tạo điều kiện để dây nano phát triển (hình 1.5). Hình 1.5. Ảnh TEM của dây nano bạc chế tạo trên nền PVP[8]. Hình 1.6. Ảnh TEM của đĩa bạc có kích thước 283nm chế tạo với CTAB (a) và mô hình xếp các phân tử CTAB lên bề mặt hạt bạc (b) [8]. Đĩa nano với chiều dày 20 – 30nm và cạnh 40 – 300nm cũng đã chế tạo thành công bằng cách khử bạc trong môi trường hoạt hóa bề mặt là CTAB [8]. Do sự hấp thụ các phân tử CTAB ở mặt phẳng mạng (111) là tốt hơn so với các mặt khác nên những phân tử CTAB bao bọc hạt bạc theo mặt phẳng này và tạo thành đĩa (hình 1.6). Hạt bạc có dạng hình lập phương đã được chế tạo bằng cách khử bạc nitrat trong môi trường có chứa PVP (hình 1.7) [8]. Các khối hộp có cạnh cỡ 175nm và có thể thay đổi theo nồng độ muối bạc hay tỉ số mol PVP so với muối bạc. Luận văn tốt nghiệp cao học 10
  12. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Hạt bạc với hình dáng của bông hoa được chế tạo bằng cách khử bạc nitrat với axít acôbic (hình 1.7) [9]. Hình 1.7. Ảnh TEM của hạt bạc có dạng hình lập phương [8] và hình bông hoa [9]. I.1.3. Hiệu ứng bề mặt Hạt bạc cũng như những vật liệu khác, khi chúng có kích thước nano thì các hiệu ứng liên quan đến bề mặt sẽ trở nên quan trọng, làm cho tính chất của vật liệu khác biệt so với khi chúng ở dạng khối. Khi vật liệu có kích thước nhỏ thì tỉ số (f) giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì hiệu ứng có liên quan đến các nguyên tử bề mặt, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng lên do tỉ số f tăng. Khi kích thước của vật liệu giảm đến nm thì giá trị f này tăng lên đáng kể. Sự thay đổi về tính chất có liên quan đến hiệu ứng bề mặt không có tính đột biến theo sự thay đổi về kích thước vì f tỉ lệ nghịch với bán kính hạt (r) theo một hàm liên tục. Hiệu ứng bề mặt luôn có tác dụng với tất cả các giá trị của kích thước, hạt càng bé thì hiệu ứng càng lớn và ngược lại. Ở đây không có giới hạn nào cả, ngay cả vật liệu khối truyền thống cũng có hiệu ứng bề mặt, chỉ có điều hiệu ứng này nhỏ thường bị bỏ qua [44]. Luận văn tốt nghiệp cao học 11
  13. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Bảng 1: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano hình cầu [44]. Đường kính Số Tỉ số nguyên tử Năng lượng bề Năng lượng bề hạt nano nguyên trên bề mặt mặt/Năng lượng mặt (erg/mol) (nm) tử (%) tổng (%) 10 30 000 20 4.08×1011 7.6 5 4000 40 8.16×1011 14.3 2 250 80 2.04×1012 35.3 1 30 90 9.23×1012 82.2 I.1.4. Hiệu ứng kích thước Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước của vật liệu nano đã làm cho vật liệu này trở nên kì lạ hơn nhiều so với các vật liệu truyền thống. Đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Ở đây không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì vậy, khi nói đến vật liệu nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó [44]. Luận văn tốt nghiệp cao học 12
  14. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Bảng 2: Sự liên hệ giữa đường kính hạt, mật độ khối lượng và mật độ hạt nano bạc trong dung dịch [50]. Đường kính hạt Mật độ khối lượng Mật độ hạt (nm) (mg/mL) (số hạt/mL) 10 nm 0.02 mg/mL 3.6x1012 20 nm 0.02 mg/mL 4.5x1011 40 nm 0.02 mg/mL 5.7x1010 60 nm 0.02 mg/mL 1.7x1010 100 nm 0.02 mg/mL 3.6x109 I.1.5. Tính chất quang Các hạt nano bạc có khả năng hấp thụ và tán xạ ánh sáng đặc biệt rõ rệt. Khác với nhiều loại chất nhuộm hay sắc tố, nano bạc có màu sắc phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của hạt. Nhờ cộng hưởng plasmon bề mặt mà hạt nano bạc có những tính chất tán xạ và hấp thụ mạnh một cách khác thường. I.1.5.1. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là hiện tượng các hạt nano kim loại hấp thụ mạnh ánh sáng kích thích khi tần số của ánh sáng kích thích cộng hưởng với tần số dao động plasma của các điện tử dẫn trên bề mặt hạt kim loại (surface plasmon resonance, SPR). Hình 1.8. Quá trình dao động tập thể của các điện tử trên bề mặt hạt kim loại, tương đương với một lưỡng cực điện dao động [51]. Luận văn tốt nghiệp cao học 13
  15. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng chiếu tới, các điện tử trên bề mặt hạt kim loại sẽ phân bố lại làm cho chúng bị phân cực điện tạo thành lưỡng cực điện (hình 1.8). Tương tác của các lưỡng cực điện này với điện trường của sóng ánh sáng đã gây ra hiện tượng cộng hưởng trên [10, 20]. I.1.5.2. Lí thuyết Mie và hiện tượng plasmon cộng hưởng Lí thuyết Mie được đưa ra vào năm 1908, xem xét tương tác của các hạt dẫn điện hình cầu trong một môi trường đồng nhất với véctơ cường độ điện trường [10]. Lí thuyết Mie đã giải một trong số các phương trình của Maxwell để mô tả tương tác này. Ngày nay, lí thuyết này vẫn giữ vai trò quan trọng trong nghiên cứu các hạt nano kim loại vì tính đơn giản, và có lời giải chính xác cho phương trình Maxwell. Trong tính toán của Mie, hàm đặc trưng cho tương tác - hàm điện môi - được coi là hàm của hai đối số: bán kính R của các quả cầu và tần số góc . Các kết quả tính toán phù hợp với các hiệu ứng liên quan tới kích thước [10, 20]. Hình 1.9. Sự xuất hiện các bức xạ tương ứng với các dao động bậc cao trong tương tác với ánh sáng khi kích thước hạt kim loại tăng. a) Tương tác của hạt kim loại với ánh sáng (hạt có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng). b) Bức xạ lưỡng cực. c) Bức xạ tứ cực của hạt có kích thước lớn [10]. Khi coi các hạt kim loại có tính đối xứng cầu, chúng ta có thể xem xét điện trường là một trường đa cực [10, 20] và tìm dao động đa cực (hình 1.9) của các hạt Luận văn tốt nghiệp cao học 14
  16. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn này trong tương tác với véctơ cường độ điện trường của sóng ánh sáng (lưỡng cực, tứ cực…). Khi hạt có kích thước càng lớn thì sự phân cực dưới tác động của điện trường càng không đồng nhất giữa các phần của hạt kim loại, dao động bậc cao càng trở nên đáng kể (hiệu ứng lệch chuẩn). Mie giải phương trình Maxwell với điều kiện ánh sáng được xét như sóng phẳng tán xạ từ hạt nano hình cầu [10]. Ngoại trừ ở bề mặt hạt, ánh sáng được coi như truyền thẳng trong môi trường đẳng hướng, đồng nhất. Trong trường hợp đó, phương trình Maxwell có dạng:  2E  k 2E  0 2H  k 2H  0 Khi  1   = -2εm sẽ xuất hiện đỉnh hấp thụ, tương ứng với cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). Trong đó: εm là hằng số điện môi của môi trường, ε1 là phần thực của hàm điện môi của kim loại. Lí thuyết Mie được áp dụng khi kích thước hạt nhỏ hơn nhiều lần so với bước sóng của ánh sáng kích thích. Trong lí thuyết của Mie, vẫn còn một số những thiếu sót, bỏ qua ảnh hưởng của một số thông số khác tới tính chất quang của hạt kim loại trong dung dịch như: ảnh hưởng của nồng độ dung dịch tới cường độ hấp thụ (tuân theo định luật Beer - Lambert), ảnh hưởng của môi trường (độ nhớt) tới hiện tượng cộng hưởng quang, hiện tượng cộng hưởng quang học khi hạt không có dạng hình cầu,… Những yếu tố này cũng đã được nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm nhưng chưa có những lí thuyết tính toán thích ứng. I.1.5.3. Tính chất quang của hạt bạc Đối với các hạt kim loại có tính đối xứng cầu, các phương dao động là như nhau và chỉ cộng hưởng ở một tần số nhất định. Luận văn tốt nghiệp cao học 15
  17. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Hình 1.10. Đỉnh Plasmon cộng hưởng của hạt bạc [6]. Nhưng hạt nano bạc dạng hình cầu có một tính chất quang độc đáo là bước sóng ứng với đỉnh cộng hưởng plasmon có thể thay đổi từ 400 nm (ánh sáng tím) cho đến 530 nm (ánh sáng xanh lục nhạt) nếu như ta thay đổi kích thước hạt hoặc chiết suất môi trường bao quanh bề mặt hạt. Với hình dạng thanh hoặc đĩa, đỉnh cộng hưởng plasmon của nano bạc có thể dịch chuyển tới tận vùng hồng ngoại [50]. Hình 1.11. Sự phụ thuộc của vị trí đỉnh plasmon vào kích thước hạt nano theo tính toán của MiePlot và hạt bạc được khử từ AgNO3 bằng TSC [15]. Hình 1.11 chỉ ra sự tăng tuyến tính của vị trí đỉnh cộng hưởng hấp thụ khi kích thước hạt nano bạc tăng. Một trong các phần mềm đã được xây dựng để tính toán tương tác giữa các hạt nano kim loại với ánh sáng là MiePlot, dự đoán tương đối chính xác kết quả thực nghiệm [15]. Luận văn tốt nghiệp cao học 16
  18. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Khi nồng độ dung dịch cao hoặc môi trường kém hoạt động bề mặt, kích thước hạt tạo thành thường lớn, do đó đỉnh plasmon cộng hưởng bị dịch về bước sóng dài [10, 20]. Hiện tượng cộng hưởng plasmon này cũng xuất hiện trong phổ tán xạ Raman gây ra tán xạ Raman tăng cường (enhancement Raman scattering) và là cơ sở để ứng dụng trong công nghệ chụp ảnh có độ phân giải cao. I.1.6. Tính diệt khuẩn I.1.6.1. Cấu trúc và hình thái của vi khuẩn Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, có nhiều hình thái, kích thước và cách sắp xếp khác nhau. Đường kính của phần lớn vi khuẩn nằm trong khoảng 0.2 đến 2.0 µm, chiều dài cơ thể khoảng 2.0 đến 8.0 µm [43]. Những hình dạng chủ yếu của vi khuẩn là hình cầu, hình que, hình dấu phẩy, hình xoắn, hình có cuống, hình có sợi…. Ví dụ như trực khuẩn đại tràng Escherichiacoli (E.Coli) có kích thước 2.5×0.5 µm2 (1 tỷ vi khuẩn E.Coli nặng 1mg) và thường có dạng hình que. Bảng 3. So sánh cấu trúc thành tế bào vi khuẩn Gram dương và Gram âm [43]. Thành phần Tỉ lệ %.wt trong thành tế bào (khô) Gram dương Gram âm Peptidoglycan 30 – 95 5 – 20 Axit teicoic Cao 0 Lipoit hầu như không có 20 Protein Không có hoặc rất ít Cao Vì vi khuẩn có kích thước nhỏ bé mà thường trong suốt, nên rất khó soi tươi (quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi). Năm 1884, nhà vi khuẩn học Đan Mạch Hans Luận văn tốt nghiệp cao học 17
  19. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Christian Gram đã phát minh ra phương pháp nhuộm màu Gram [43]. Với phương pháp này, người ta đã chia vi khuẩn làm hai nhóm lớn là Gram âm và Gram dương. Cấu tạo cơ bản của tế bào vi khuẩn gồm có: thành tế bào (cell wall), màng tế bào chất (cytoplasmic membrane), tế bào chất (cytoplasm), thể nhân (nuclear body), bao nhầy, tiên mao, khuẩn mao, bào tử [43]. Thành tế bào là lớp ngoài cùng có độ bền nhất định để duy trì hình dạng tế bào, có khả năng bảo vệ tế bào. Thành phần cấu tạo của thành tế bào rất phức tạp, gồm có peptidoglycan, axit teicoic, lipoit và protein. Cấu trúc thành tế bào của vi khuẩn Gram âm và dương là rất khác nhau (bảng 3). Peptidoglican (PG) là một loại polyme xốp, khá cứng và bền vững, bao quanh màng tế bào như mạng lưới [43]. Cấu trúc cơ bản của peptidoglycan gồm có ba thành phần: N- axetylglucozamin (NAG), axit N – axetylmuramic (NAM) và tetrapeptit. Để tạo thành mạng lưới cứng, tetrapeptit trên mỗi chuỗi PG liên kết chéo với tetrapeptit trên chuỗi PG khác. Axit teicoic là một thành phần đặc trưng của tế bào vi khuẩn Gram dương. Axit teicoic là polime của ribitol và glixerol photphat liên kết với PG hoặc màng tế bào chất. Do tích điện âm, axit teicoic giúp cho việc vận chuyển các ion dương vào, ra tế bào để dự trữ photphat. Lipit được cấu tạo từ các đường và axit béo. Luận văn tốt nghiệp cao học 18
  20. Khoa Vật Lý Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Nguyễn Văn Sơn Hình 1.12. Cấu trúc đầu và đuôi của photpholipit [43]. Màng tế bào chất hay còn gọi là màng tế bào hay màng chất có chiều dày 4 – 5 nm. CM cấu tạo bởi 2 lớp photpholipit (PL) và các protein. Mỗi phân tử PL có cấu trúc đầu và đuôi (hình 1.12), chứa một đầu tích điện phân cực, háo nước (photphat) và một đuôi không tích điện, không phân cực, kị nước (hiđrôcacbon). Các PL làm hóa lỏng màng tế bào và cho phép các protein di động tự do và rất cần thiết cho các chức năng của màng. Tế bào chất là một vùng dịch keo chứa các chất hòa tan trong suốt và các hạt như riboxom (70%.wt) với khoảng 80% khối lượng riboxom là nước. Trong tế bào chất có protein, axit nucleic, hidratcacbon, lipit, các ion vô cơ… Luận văn tốt nghiệp cao học 19
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

TL.01: Bộ Tiểu Luận Triết Học
207 tài liệu
1455 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2