ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
CAO THỊ HUYỀN
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA
HẠT NANO Pt BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
CAO THỊ HUYỀN
CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA
HẠT NANO Pt BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN LASER
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 84 40 110
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN HẢO
THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới
thầy giáo, TS. Nguyễn Văn Hảo, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô, tập thể cán
bộ khoa Vật lí trường ĐHKH Thái Nguyên, các thầy cô và anh chị ở khoa
Công nghệ Sinh học, trường ĐHKH Thái Nguyên đã tạo điều kiện và giúp đỡ
em trong việc thử nghiệm vi sinh để hoàn thành luận văn này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Nguyễn Thế Bình
và tập thể cán bộ Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý, trường ĐH Khoa
học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ em trong thực nghiệm chế tạo
mẫu và hoàn thành luận văn.
Cuối cùng em xin cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và
động viên em trong suốt quá trình học tập.
Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2018
Học viên
i
Cao Thị Huyền
V
DANH MỤC CÁ C BẢ NG
VI
DANH MỤC CÁ C HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU
MỤC LỤC
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
4
1.1. Tổng quan về platin
4
1.1.1. Giới thiệu về platin
4
1.1.2. Tính chất vật lý
5
1.1.3. Tính chất hóa học
5
1.1.4. Hạt nano platin.
6
1.1.5. Một số ứng dụng của hạt nano platin
7
1.2. Phương pháp ăn mòn laser để chế tạo vật liệu nano
7
1.2.1. Quá trình ăn mòn laser
7
1.2.2. Cơ chế phương pháp ăn mòn laser
8
1.2.3. Mô hình hoá cơ chế phương pháp ăn mòn laser
10
1.2.4. Cơ chế ăn mòn laser trong chất lỏng.
13
1.3. Khái quát về vi khuẩn
16
1.4. Cơ chế diệt khuẩn của nano Pt
18
CHƯƠNG 2. CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng laser Nd:YAG
20
2.1.1. Sơ đồ hệ ăn mòn laser
20
2.1.2. Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230
21
2.1.2.1. Cấu tạo.
21
2.1.2.2. Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230
22
2.2. Các hóa chất sử dụng
23
2.2.1. Platin
23
2.2.2. Nước cất
23
2.2.3. Ethanol
23
2.3. Quy trình chế tạo hạt nano kim loại
244
2.4. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
25
ii
2.4.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ (UV-Vis)
25
2.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
26
2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
28
2.4.4. Khảo sát hiệu quả kháng khuẩn của nano Pt
31
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
32
3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất laser
32
3.1.1. Đo nhiễu xạ tia X
32
3.1.2. Phổ hấp thụ UV – VIS
33
3.1.3. Hình thái và kích thước
34
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng laser
35
3.2.1. Phổ hấp thụ
35
3.2.2. Hình thái và kích thước
36
3.3. Khảo sát độ bền theo thời gian
37
3.4. Nghiên cứu chế tạo hạt nano platin trong ethanol
38
3.4.1. Đo nhiễu xạ tia X
38
3.4.2. Khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis
39
3.4.3. Khảo sát ảnh hiển vi điện tử 40
3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của công suất laser
41
3.5. Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của hạt nano Pt
42
KẾT LUẬN
45
TÀI LIỆU THAM KHẢO
46
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
E.coli Escherichia Coli Vi khuẩn E.coli
LB Lysogeny broth Môi trương nuôi cấy vi sinh
giàu dinh dưỡng
Nd:YAG Neodymium: Yttrium Tinh thể laser rắn YAG pha
Aluminum Granate tạp ion Nd3+
Pt Platinum Bạch kim
PVP Poly Vinyl Pyrrolidon Chất hoạt động bề mặt
polime tan trong nước
SDS Sodium Dodecyl Sulfate Dung dịch của natri dodecyl
sulfate
SERS Surface Tán xạ Raman tăng cường bề
Enhanced Raman Scattering mặt
SPR Surface Plasmon Resonance Cộng hưởng plasmon bề mặt
TEM Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền
Microscopy qua
TSC Trisodium cirate Chất hoạt động bề mặt của
muối natri
UV - Vis Ultraviolet-visible Quang phổ hấp thụ vùng tử
iv
spectroscopy ngoại và nhìn thấy
DANH MỤC CÁ C BẢ NG
Bảng 3.1. Kết quả thử khả năng kháng khuẩn E.coli của mẫu hạt nano Pt và
v
các đối chứng
DANH MỤC CÁ C HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ
Trang
4 Hình 1.1 Bạch kim trong tự nhiên
7 Hình 1.2 Nguyên lý ăn mòn laser
9 Hình 1.3 Mô hình ăn mòn bề mặt kim loại bằng laser
Hình 1.4 Ảnh chụp nhanh của 60 triệu nguyên tử trong thời 11
gian mô phỏng 4 ps, 40 ps, 70 ps
Hình 1.5 Ảnh chụp nhanh từ mô hình MD của phương pháp ăn 12
mòn laser vật liệu rắn minh họa cho các quá trình khác
nhau của sự phát tán mạnh vật liệu
Hình 1.6 Thí nghiệm chế tạo hạt nano platin bằng phương pháp 14
ăn mòn laser
Hình 1.7 Minh họa quá trình chế tạo hạt nano kim loại bằng 14
phương pháp ăn mòn laser
Hình 1.8 Mô hình cơ chế ăn mòn laser trong môi trường chất 15
lỏng
Hình 1.9 Vi khuẩn E.coli 17
Hình 1.10 Chế độ kháng khuẩn của vật liệu nano 19
Hình 2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ ăn mòn laser 20
vi
Hình 2.2 Cấu tạo của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230 22
Hình 2.3 Mô hình quy trình thí nghiệm 25
Hình 2.4 Máy nhiễu xạ tia X D5005 tại TTKH Vật liệu 29
Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano platin 32
Hình 3.2 Phổ UV-VIS của nano pt trong nước ứng với các công 34
suất kích thích khác nhau ở bước sóng 1064 nm trong
thời gian chiếu sáng 15 phút
Hình 3.3 Ảnh TEM và sơ đồ phân bố kích thước hạt tương ứng 35
của hạt nano pt chế tạo bằng phương pháp ăn mòn
laser (1064 nm, 450 mW, 15 phút) trong nước
Hình 3.4 Phổ UV-VIS của nano pt trong nước ứng với các thời 36
gian kích thích khác nhau (ở cùng một công suất kích
thích và bước sóng laser 1064 nm)
Hình 3.5 Ảnh TEM và sơ đồ phân bố kích thước hạt tương ứng 37
của hạt nano pt chế tạo bằng phương pháp ăn mòn
laser (1064 nm, 500 mW) trong nước 20 phút và 30
phút
Hình 3.6 Phổ UV-VIS của mẫu nano Pt được chế tạo bằng 38
phương pháp ăn mòn laser (1064 nm, 500 mW) trong
nước với thời gian ăn mòn 20 phút và được đo ở 2 thời
điểm cách nhau hơn 2 tháng
Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano Pt trong Ethanol 39
Hình 3.8 Phổ hấp thụ của hạt nano Pt trong Ethanol 40
vii
Hình 3.9 Ảnh TEM và phân bố kích thước của hạt nano Pt trong 40
Ethanol 40 %, công suất laser 500 mW, thời gian
chiếu laser 15 phút
Hình 3.10 Phổ hấp thụ của hạt nano Pt trong Ethanol với công 41
suất laser khác nhau 400 mW, 500 mW, 600 mW
Hình 3.11 Ảnh chụp kết quả khả năng kháng khuẩn E.coli trong 43
đĩa thạch có chứa Kw và Rf làm đối chứng dương,
nước làm đối chứng âm và các hạt nano Pt ở các công
viii
suất chiếu laser khác nhau từ 250 - 450 mW (sau 24h)
MỞ ĐẦU
Các hạt nano đã được quan tâm nghiên cứu rộng rãi do tỷ lệ bề mặt và
thể tích lớn của chúng và các hiệu ứng lượng tử có thể so với các nguyên tử và
vật liệu khối. Các tính chất này làm cho chúng hấp dẫn trong các ứng dụng
khác nhau, chúng được sử dụng làm chất xúc tác, do số lượng lớn nguyên tử
hoạt động trên bề mặt [2-4], cũng như các ứng dụng tiềm năng trong chụp ảnh,
quang phi tuyến, điện tử, quang tử, thông tin lưu trữ, hóa học và cảm biến sinh
học, tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS), truyền thông nano, chẩn đoán
lâm sàng và điều trị ung thư [5–17].
Các hiệu ứng hình dạng và kích thước của các hạt nano thể hiện mối
quan hệ trực tiếp giữa hoạt tính xúc tác và hình thái hạt. Trong số các kim loại
khác nhau, các hạt kim loại quý đặc biệt thú vị do các vùng dẫn và vùng hóa
trị nằm gần nhau của chúng trong đó các electron di chuyển tự do. Các
electron tự do trong kim loại có thể tạo ra các dải cộng hưởng plasmon bề mặt
(SPR) thay đổi với kích thước hạt, hình dạng và môi trường tương ứng. Màu
sắc hấp dẫn của các hạt kim loại quý cũng phụ thuộc vào kích thước và hình
dạng của chúng cũng như chiết suất của môi trường xung quanh. Việc tổng
hợp các hạt nano kim loại với các kích thước và hình dạng được xác định rõ
ràng đã được nghiên cứu nhưng vẫn là một nhiệm vụ đầy thử thách. Trong số
các kim loại quý khác nhau được nghiên cứu, các hạt nano bạch kim (platin)
đã thu hút được sự chú ý đáng kể do khả năng đặc biệt của chúng trong xúc
tác một phần quá trình oxy hóa [18], sự hydro hóa [19] và sự khử hydro [20]
của một loạt các phân tử quan trọng cần thiết cho nhiều ứng dụng công
nghiệp. Do đó, sự tổng hợp của các hạt nano bạch kim không bọc và ổn định
đặc biệt quan trọng trong các phản ứng xúc tác khác nhau liên quan đến các
yếu tố bạch kim.
Gần đây, một số phương pháp hóa học đã được phát triển để tổng hợp
các hạt nano bạch kim (Pt). Nghiên cứu đầu tiên về các hạt nano Pt được điều 1
khiển hình dạng nhờ sử dụng polymer tuyến tính làm chất ổn định được báo
cáo bởi Ahmadi và cộng sự vào năm 1996 [21]. Họ chọn lọc tổng hợp các
phân tử hình lập phương và tứ diện bằng cách thay đổi nồng độ mol của chất
ổn định của tiền chất Pt. Nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để
tổng hợp các hạt nano ở dạng thanh, dây, chuỗi, bán cầu, tứ diện, hình lập
phương và đa cánh tay (polypods) điều khiển được hình dạng và kích thước
[22–26]....
Dây nano keo Pt được tổng hợp bởi Fenske và cộng sự nhờ sử dụng
dodecylamine như các ligand [27]. Trước đây, Jana và các cộng sự đã tổng
hợp các hạt nano Pt dạng bán cầu ở hiệu suất cao hơn [25]. Mafune và các
cộng sự đã phát triển một phương pháp chiếu xạ laser để tổng hợp các hạt
nano Pt trong dung dịch nước của natri dodecyl sulfate (SDS) [28]. Cũng dùng
phương pháp ăn mòn laser M. I. M. Palma và các cộng sự đã chế tạo thành
công các hạt nano Pt trong các dung dịch khác nhau như acetone, ethanol, và
methanol [29].
Ở Việt Nam, nhóm của PGS. Nguyễn Thế Bình và các cộng sự (tại
trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội) cũng đã chế tạo thành công
các hạt nano Pt trong một số dung dịch khác nhau bằng ăn mòn laser như
PVP, TSC (trisodium citrate), ethanol [30]. Tuy nhiên, phương pháp này cũng
còn những hạn chế nhất định. Trong quá trình tạo các hạt nano, việc tạo ra các
cấu trúc nano đặc biệt là các hạt nano có kích thước và cấu trúc đồng nhất
tương đối khó khăn. Ngoài ra, các nghiên cứu chưa khai thác về các ứng dụng
của hạt nano Pt trong lĩnh vực y-sinh học. Đây là chủ đề tiếp tục thu hút được
sự quan tâm lớn của các nhà khoa học.
Trên thế giới, việc tổng hợp các hạt nano Pt và xem xét khả năng ứng
dụng của chúng đã có nhiều báo cáo được công bố [15, 16, 17]. Trong số
nghiên cứu đó, một số báo cáo tập trung vào thăm dò sự tương tác của hạt
nano với tế bào sống. Asharani và các cộng sự [31] đã nghiên cứu sự hấp thu 2
và hoạt tính sinh học (ví dụ, độc tính gây độc tế bào, độc tính gen và biểu hiện
protein) của các hạt nano Pt (kích thước 5 - 8 nm) trên tế bào người. Họ tổng
hợp các hạt nano Pt với rượu polyvinyl và ủ chúng với tế bào người. Sự hấp
thu và tính chất sinh học của chúng được đánh giá thông qua hoạt động trao
đổi chất, tính nguyên vẹn của bộ gen, chu kỳ tế bào và biểu hiện protein. Họ
báo cáo rằng các hạt nano Pt xâm nhập vào các tế bào thông qua sự khuếch tán
và được định xứ bên trong tế bào chất. Tiếp xúc với các hạt nano Pt cũng làm
tăng tổn thương DNA, tích lũy tế bào ở pha S của chu trình tế bào và quá trình
chết của tế bào (apoptosis). Tuy nhiên, cơ chế gây ức chế sự phát triển của các
vi khuẩn Gram dương (B. subtilis, S.aureus) và Gram âm (P.aeroginosa,
E.coli) đối với hạt nano vẫn chưa được nghiên cứu một cách rõ ràng.
Do đó, chúng tôi đề xuất thực hiện đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính
chất quang của hạt nano Pt bằng phương pháp ăn mòn laser” để định
hướng ứng dụng trong y sinh.
Mục đích của luận văn là chế tạo thành công vật liệu nano kim loại Pt
trong dung dịch bằng phương pháp ăn mòn laser trong nước và ethanol và thử
nghiệm khả năng kháng khuẩn với vi khuẩn E.coli trong phòng thí nghiệm.
Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, được chia
thành 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Các thiết bị sử dụng và phương pháp nghiên cứu
3
Chương 3: Các kết quả và thảo luận
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về platin
1.1.1. Giới thiệu về platin
Platin hay còn gọi là bạch kim là một nguyên tố hóa học, ký hiệu Pt
có số nguyên tử 78 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Platin là
một kim loại chuyển tiếp quý hiếm. Mặc dù nó có sáu đồng vị tự nhiên,
nhưng platin vẫn là một trong những nguyên tố hiếm nhất trong lớp vỏ Trái
Đất với mật độ phân bố trung bình khoảng 0,005 mg/kg. Platin thường
được tìm thấy ở một số quặng niken và đồng, chủ yếu là ở Nam Phi chiếm
80 % tổng sản lượng trên toàn thế giới [32].
Hình 1.1: Bạch kim trong tự nhiên [32]
Platin thường được sử dụng làm chất xúc tác, trong trang thiết bị
phòng thí nghiệm, thiết bị điện báo, các điện cực, nhiệt kế điện trở, thiết bị
4
nha khoa và đồ trang sức.
1.1.2. Tính chất vật lý
Platin là nguyên tố thuộc chu kỳ VI, nhóm VIII B, có cấu hình
Electron là [Xe]4f 145d96s1. Khối lượng mol là 195 g/mol, có mạng lưới tinh
thể lập phương tâm mặt. Nhiệt độ nóng chảy của Platin khoảng 1768 °C,
nhiệt độ sôi cỡ 3825 °C. Platin có màu trắng bạc, sáng bóng, là một trong
những kim loại dẻo dai nhất, dễ kéo sợi và dễ dát mỏng: 1 g Pt có thể kéo
thành sợi với chiều dài 5 km và có thể dát mỏng platin tới độ dày cỡ
micromet [1]. Platin ít bị mài mòn nên rất thích hợp để làm đồ trang sức mỹ
nghệ. Kim loại này khó bị ăn mòn, chịu được nhiệt độ cao và có tính dẫn
điện ổn định cho nên được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy
nhiên, platin có thể bị ăn mòn bởi các halogen, xianua, lưu huỳnh và dung
dịch kiềm ăn da. Platin rất dễ hấp thụ hydro và oxy, ứng dụng là vật liệu
xúc tác trong các phản ứng hóa học [32].
1.1.3. Tính chất hóa học
Trạng thái oxi hóa phổ biến của platin là +2 và +4. Trạng thái +1 và
+3 ít phổ biến hơn và thường ổn định nhờ liên kết kim loại trong dạng
lưỡng kim (hoặc đa kim).
Platin là kim loại kém hoạt hóa nhất. Ở điều kiện thường, platin không
bị gỉ trong không khí, rất bền với oxi ngay cả khi nhiệt độ cao. Tuy nhiên,
platin tác dụng với khí clo khi đun nóng và tác dụng chậm với brom lỏng ở
nhiệt độ thường. Platin không hòa tan trong axit clohidric và axit nitric,
nhưng tan trong nước cường toan để tạo thành axit hexachloroplatinic
H2PtCl6 theo phương trình phản ứng [32] :
(1.1) Pt + 4HNO3 + 6HCl → H2PtCl6 + 4NO2 + 4H2O
Platin cũng có thể tan được trong axit HCl bão hòa Cl2
5
Pt + 2HCl (đặc, nóng) + 2Cl2 → H2[PtCl6] (1.2)
Platin tác dụng với kiềm nóng chảy khi có mặt oxi hay chất oxi hóa
khác. Bởi vậy, không được nấu chảy kiềm hay nung hỗn hợp chứa kiềm
trong chén hay bát làm bằng platin mà dùng chén hay bát bằng sắt niken
hoặc bạc. Một điểm đáng chú ý nữa là không được nung nóng các chén bát
platin ở vùng giữa ngọn lửa vì ở đó cacbon tác dụng với platin tạo thành
cacbua.
1.1.4. Hạt nano platin.
Hạt nano Pt có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp hóa lý khác
nhau.
Đối với phương pháp hóa, hạt nano thường được tổng hợp trong dung
dịch hóa học, vì vậy các hạt nano này thường gọi là các hạt Pt dạng keo. Một
số phương pháp hóa có thể kể đến như phương pháp hóa khử, phương pháp
polyol và phương pháp mixen đảo. Bên cạnh đó, hạt nano Pt cũng có thể
chế tạo bằng nhiều phương pháp vật lý, chẳng hạn như phún xạ, bốc bay
chùm điện tử hoặc ăn mòn bằng laser trong dung dịch [21-30].
Khi ở dạng nano, các hạt platin có sự thay đổi đáng kể về tính chất.
Dễ dàng nhận thấy nhất là sự thay đổi về màu sắc. Trong dung dịch lỏng, các
hạt nano platin có màu từ xám đến xám đen tùy thuộc vào nồng độ hạt. Tính
chất quang tuyến tính của chúng bị chi phối bởi hiện tượng cộng hưởng
plasmon bề mặt kết hợp với các dao động tập thể của các electron tự do
trong hạt. Một trong những thay đổi quan trọng nhất của platin khi ở dạng
nano là khả năng xúc tác [33-35]. Hạt nano platin có hoạt tính xúc tác cao
có nguồn gốc từ diện tích bề mặt lớn. Dựa vào đó, có thể giảm lượng Pt
cần thiết trong các hệ thống sử dụng hạt nano Pt là chất xúc tác mà vẫn
đảm bảo hiệu suất và chất lượng. Điều này có ý nghĩa quan trọng khi ứng
dụng hạt nano Pt trong công nghiệp vì bản thân Pt là một kim loại quý có
6
giá thành đắt đỏ.
1.1.5. Một số ứng dụng của hạt nano platin
Các hạt nano Pt là một trong những loại hạt nano kim loại quan trọng
nhất. Chúng đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
chẳng hạn xúc tác trong fuel cell, hệ thống xả của ô tô, cảm biến khí, cảm
biến glucozo, và cả trong trị liệu ung thư, lĩnh vực thẩm mỹ [36, 37]. Hạt
nano platin có kích thước rất nhỏ, đi vào các lớp da từ nông đến sâu, giúp điều
trị làm trắng trẻ da, làm lành da mụn... Hạt này còn có chức năng làm tăng sức
sống của tế bào mạnh để chống lão hóa.
1.2. Phương pháp ăn mòn laser để chế tạo vật liệu nano
1.2.1. Quá trình ăn mòn laser
Khái niệm phương pháp ăn mòn laser
Phương pháp ăn mòn laser là một quá trình làm bay hơi một lượng nhỏ
vật chất khỏi bề mặt chất rắn (hoặc đôi khi ở dạng lỏng) khi chiếu lên bề mặt
của nó một chùm laser với năng lượng cao. Một điểm đặc biệt của ánh sáng
laser là nó có thể tập trung năng lượng với cường độ rất cao trên một vùng
giới hạn của vật liệu. Khi ánh sáng laser chiếu tới vật liệu, do cường độ laser
lớn sẽ gây bùng nổ và dẫn đến sự phát tán hỗn hợp của nguyên tử, các phân tử
Đám hơi vật chất
và ion (plasma) hoặc các đám hơi vật chất từ bề mặt của vật liệu.
Xung Laser
Miếng kim loại
Hình 1.2. Nguyên lý ăn mòn laser
7
Một xung laser năng lượng cao tập trung chiếu vào vật liệu. Khi dòng
năng lượng của laser vượt giá trị ngưỡng ăn mòn của vật liệu, các liên kết hóa
học của nó bị phá vỡ và vật liệu bị “vỡ” thành các mảnh nhỏ, thường các
mảnh này là hỗn hợp của nguyên tử, các phân tử và ion. Hỗn hợp các mảnh
nhỏ ở trạng thái rắn, khí và plasma thoát khỏi vùng tương tác, quá trình ăn
mòn tương tự với sự bay hơi nhanh chóng của lớp bề mặt vật liệu.
Khi xung lượng laser thấp, mẫu bị nung nóng bởi hấp thụ năng lượng
laser và bốc bay hoặc thăng hoa. Khi xung lượng laser cao, mẫu thường được
chuyển đổi sang dạng plasma. Thông thường, phương pháp ăn mòn laser
thường dùng laser xung, nhưng với một số vật liệu có thể dùng laser liên tục
nếu laser có cường độ đủ lớn.
1.2.2. Cơ chế phương pháp ăn mòn laser
Có hai quá trình chi phối gây ra quá trình ăn mòn:
- Quá trình ăn mòn quang nhiệt: Đó là quá trình đốt nóng vật liệu do sự
hấp thụ photon.
- Quá trình ăn mòn quang hoá: Đó là quá trình hấp thụ photon để phá
vỡ liên kết hoá học trong phân tử.
Đối với laser hoạt động ở vùng hồng ngoại hoặc khả kiến, quá trình ăn
mòn nhiệt chiếm ưu thế hơn.Với bức xạ laser vùng tử ngoại xa, khi năng
lượng photon lớn hơn năng lượng liên kết hóa học trong phân tử thì quá trình
ăn mòn quang hoá chiếm ưu thế hơn. Hai quá trình này đều là nguyên nhân
gây ra quá trình ăn mòn. Trên thực tế hai quá trình này không tách riêng rẽ mà
8
có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.
Hình 1.3: Mô hình quá trình ăn mòn bề mặt kim loại bằng laser [38]
Một xung laser năng lượng cao tập trung chiếu vào vật liệu. Khi dòng
năng lượng của laser vượt giá trị ngưỡng ăn mòn của vật liệu, các liên kết hóa
học của nó bị phá vỡ và vật liệu bị “vỡ” thành các mảnh nhỏ, thường các
mảnh này là hỗn hợp của nguyên tử, các phân tử và ion. Hỗn hợp các mảnh
nhỏ ở trạng thái rắn, khí và plasma thoát khỏi vùng tương tác, quá trình ăn
mòn tương tự với sự bay hơi nhanh chóng của lớp bề mặt vật liệu.
a) Ăn mòn quang nhiệt
Quá trình ăn mòn quang nhiệt là quá trình xung laser được hấp thụ trong
một thể tích của mẫu rắn, quá trình nung nóng sau đó xảy ra theo thời gian,
dẫn đến phần mẫu được định xứ nóng chảy, sôi, và cuối cùng là hóa hơi. Nhiệt
lượng ăn mòn là không cố định vì liên quan đến các quy trình biến đổi hiệu
suất và tỷ lệ theo các biến đổi của vùng dẫn nhiệt, điểm nóng chảy, điểm sôi,
và nhiệt độ hóa hơi cho các loại mẫu khác nhau, và thậm chí liên quan tới các
thành phần và hợp chất khác nhau trong cùng một mẫu. Một phần nóng chảy
và một phần hóa hơi tạo thành các hố hiệu ứng, trong đó sẽ có sự ngưng tụ
đáng kể các hạt trong các khí vận chuyển lạnh được thổi qua bề mặt. Nên kích
9
thước các hạt là khá đa dạng [39].
b) Ăn mòn quang hóa
Ăn mòn quang hóa là quá trình có tính ưu tiên vì trên lý thuyết độc lập
nó với tính chất nhiệt, chẳng hạn như điểm nóng chảy và sôi của các yếu tố
khác nhau và các hợp chất trong các mẫu. Trong ăn mòn quang hóa, xung
laser được hấp thụ vào một thể tích nhỏ của các mẫu rắn, với tốc độ nhanh và
mật độ năng lượng lớn có thể làm mất ổn định trong một vùng xác định, gây
ra sự bùng nổ trên bề mặt vật liệu. Như vậy, ăn mòn quang hóa xảy ra trước
khi hiệu ứng quang nhiệt có thời gian để thể hiện một cách mạnh mẽ. Dưới
điều kiện thuận lợi, việc kiểm soát sự tạo ra các hạt nhỏ như là sự phun hạt từ
một hố ăn mòn. Ăn mòn quang hóa trong thời gian ngắn đòi hỏi một bước
sóng ngắn, độ rộng xung laser nhỏ với năng lượng phải đủ lớn cho một loại
vật liệu. Trong thực tế, nó không phải là hoàn toàn có thể loại bỏ ăn mòn
nhiệt, do đó một sự kết hợp của ăn mòn nhiệt và ăn mòn quang hóa sẽ thường
xảy ra. Chìa khóa để kiểm soát hai quá trình trên là điều kiện để ăn mòn quang
hóa là cao hơn.
Đồng thời để kích thước hạt nhỏ và đồng đều thì có một quá trình kiểm
soát sự bùng nổ trên bề mặt vật liệu. Sự bùng nổ không cần bắt nguồn từ sâu
bên trong khối mẫu lớn. Một sự bùng nổ quang hóa xuất hiện sâu quá mức ở
dưới bề mặt mẫu sẽ là sự bùng nổ “thô”. Đó là hiệu ứng gãy vỡ cảm ứng, và
nổ ra các “sỏi lớn” rải từ miệng hố, thay vì phun những hạt nhỏ. Để giữ sự
bùng nổ quang hóa gần bề mặt mẫu, thì các xung laser phải là độc lập, riêng
lẻ. Một xung laser độc lập sẽ không cho phép xung đi sâu vào trong bề mặt
mẫu trước khi nó được hấp thụ để gây ra hiện tượng ăn mòn quang hóa [39].
1.2.3. Mô hình hoá cơ chế phương pháp ăn mòn laser
Việc khảo sát mô hình của cơ chế phương pháp ăn mòn laser đóng một
vai trò quan trọng trong sự hoàn thiện nhận thức về cơ chế vi mô gây ra sự
10
phát tán mạnh vật chất và mối liên hệ giữa các thông số của quá trình ăn mòn.
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về vấn đề này,
với nhiều mô hình khác nhau về cơ chế phương pháp ăn mòn laser như: mô
hình động lực học phân tử, mô hình Monte Carlo…
Trong luận văn, chúng tôi xin giới thiệu về mô hình hoá cơ chế phương
pháp ăn mòn laser theo mô hình động lực học phân tử.
Phương pháp mô hình động lực học phân tử (MD) cho phép thực hiện
phân tích chi tiết quá trình phương pháp ăn mòn laser trong đó các thông số
nhiệt động lực học của hệ có thể được xác định theo động lực học vi mô ở
mức độ phân tử. Khả năng này của mô hình động lực học phân tử sẽ cung cấp
cái nhìn toàn diện về cơ chế phát tán mạnh vật chất trong quá trình phương
pháp ăn mòn laser. Leonid V và các cộng sự đã xây dựng thành công mô hình
động lực học phân tử để mô tả cơ chế phương pháp ăn mòn laser [40].
Hình 1.4 mô phỏng đám vật chất trên bề mặt vật liệu bị ăn mòn theo mô
hình động lực học phân tử. Theo các nhà khoa học, đám vật chất được phát tán
là tập hợp của các hạt lơ lửng có dạng hình cầu.
Hình 1.4: Ảnh chụp nhanh của 60 triệu nguyên tử trong thời gian mô phỏng 4 ps, 40
ps, và 70 ps sau khi xung laser 100 fs chạm vào bề mặt tấm kim loại. Màu sắc biểu
thị động năng của các nguyên tử và là thước đo cho nhiệt độ [41].
11
Các quá trình chi tiết xảy ra trong quá trình phương pháp ăn mòn laser
được mô phỏng bởi chuỗi liên tiếp các hình trong hình 1.5
Hình 1.5: Ảnh chụp nhanh từ mô hình MD của phương pháp ăn mòn laser vật liệu
rắn minh họa cho các quá trình khác nhau của sự phát tán mạnh vật liệu [42].
Hình 1.5 thể hiện sự phụ thuộc mạnh của cơ chế phát ra vật chất vào các
điều kiện bức xạ. Các mức độ khác nhau của quá trình được quan sát bao gồm:
- Sự phân huỷ từng phân tử (Hình 1.5 a), xảy ra quá trình bốc bay nhẹ
của các phân tử hay được gọi là sự phún xạ trong khoảng thời gian 50 ps. Quá
12
trình này ứng với thông lượng laser thấp.
- Bùng nổ sự phân ly của một vùng bề mặt bị đốt quá nóng (Hình 1.5 b).
Quá trình này xảy ra trong thời gian khoảng 100 ps.
- Sự hình thành một lượng lớn các giọt vật chất do sự nóng chảy tức
thời (Hình 1.5 c, d).
- Sự phân tán mạnh của các mảnh nhỏ chất rắn bị vỡ ra do hiệu ứng
quang hóa cơ học khi mật độ năng lượng laser lớn hơn (Hình 1.5 e).
Khi mật độ năng lượng laser thấp. Hầu hết các đơn thức phân tử
(monomer) được phát ra từ bề mặt bị nung nóng do bức xạ laser. Mô hình có
thể cung cấp sự mô tả đầy đủ quá trình phát ra các phân tử.
Một tính chất độc đáo của quá trình ăn mòn là hầu hết năng lượng của
xung laser đều được hấp thụ bởi lớp vật liệu bề mặt bị bắn ra. Vì vậy, có rất ít
sự phá hủy nhiệt đối với các lớp vật liệu xung quanh.
1.2.4. Cơ chế ăn mòn laser trong chất lỏng.
Phương pháp ăn mòn laser được sử dụng để chế tạo màng mỏng khi nó
được thực hiện trong chân không đôi khi trong môi trường khí trơ như Ar hay
trong những chất khí đóng vai trò tác nhân hoá học như Amoniac hoặc Nitơ.
Phương pháp ăn mòn laser cũng có thể thực hiện trong môi trường chất
lỏng để tạo ra các hạt kích thước cỡ nano.
Trong luận văn, chúng tôi trình bày việc tạo ra các hạt nano Platin bằng
phương pháp ăn mòn laser trực tiếp từ một tấm kim loại trong dung dịch chứa
chất lỏng hoặc chất hoạt động bề mặt với xung laser nano-giây năng lượng
cao. Phương pháp cho phép tạo ra các hạt kích thước hạn chế cỡ nano với độ
13
phân tán khá cao trong dung dịch.
Hình 1.6: Thí nghiệm chế tạo hạt nano platin bằng phương pháp ăn mòn laser
Vật liệu ban đầu là một tấm Pt tinh khiết 99,9 % dày 1 mm,
10 10 mm2 đựng trong một cốc thủy tinh. Sơ đồ thí nghiệm được bố trí như
hình 1.6. Một chùm Laser xung có bước sóng 532 nm, độ rộng xung là 10 ns,
tần số 10 Hz, năng lượng mỗi xung là 90 mJ, đường kính vùng kim loại bị tác
dụng từ 1-3 mm. Dưới tác dụng của chùm laser xung, các hạt nano có kích
thước khoảng 10 nm được hình thành và được bao phủ bởi chất hoạt hóa bề
mặt.
Hình 1.7. Minh họa quá trình chế tạo hạt nano kim loại bằng phương pháp ăn
mòn laser
14
Cơ chế hình thành và lớn lên của hạt nano khi ăn mòn kim loại bằng
laser xung trong chất lỏng được giải thích bằng mô hình của Mafune và các
cộng sự [43]. Theo mô hình này chùm laser xung ăn mòn bia kim loại trong
quá trình chiếu laser. Vật liệu ăn mòn, được gọi là đám vật chất (plume) tràn
vào môi trường chất lỏng. Các hạt nhỏ như là các nguyên tử tự do hoặc cụm
nguyên tử (cluster) va chạm với nhau và tạo thành hạt trong quá trình ăn
mòn.
Hình 1.8. Mô hình cơ chế ăn mòn laser trong môi trường chất lỏng.
Trong vài xung đầu tiên, chỉ có môi trường chất lỏng bao quanh đám
vật chất sinh ra và các mảnh kim loại trong đám vật chất này kết tụ tạo nên
các hạt nano kim loại. Sau đó các hạt nano phân tán vào môi trường chất
lỏng và những hạt này trở thành các tâm kết tụ cho các mảnh kim loại kế
tiếp. Ở giai đoạn này có hai cơ chế đóng góp vào quá trình tạo hạt. Cơ chế
thứ nhất là kết hạt trực tiếp của kim loại trong đám vật chất (plume) tương tự
như trong giai đoạn đầu. Cơ chế thứ hai là sự thêm các nguyên tử hoặc cụm
nguyên tử vào các hạt đã sinh ra trước đó và làm cho chúng tăng kích thước.
Như vậy, khi cả hai cơ chế này xuất hiện sẽ dẫn đến phân bố kích thước mở
rộng. Tốc độ tăng kích thước của các hạt nano tùy thuộc vào số hạt được tạo
thành trong giai đoạn đầu và tính phân cực của phân tử môi trường chất lỏng.
15
Trong chất lỏng, các hạt nano kim loại tích điện bề mặt. Do tương tác giữa
các phân tử môi trường chất lỏng và các hạt nano tích điện bề mặt, một lớp
điện tích kép bao quanh bề mặt các hạt nano. Các phân tử có momen lưỡng
cực cao tạo nên liên kết mạnh hơn với bề mặt hạt nano do đó lực đẩy tĩnh
điện nhờ bao bọc bởi lớp điện tích kép sẽ ngăn cản sự tăng kích thước hạt tốt
hơn. Ví dụ, các phân tử phân cực như là nước tạo nên một lớp điện tích kép
mạnh bao quanh hạt nano Platin. Do tương tác điện giữa các mảnh trong đám
vật chất và lớp điện tích này sự tăng kích thước bị hạn chế trong quá trình ăn
mòn. Kết quả là các hạt nano kim loại được tạo thành. Tính phân cực thấp
hơn của phân tử chất lỏng (ví dụ ethanol) tạo thành lớp điện tích kép yếu dẫn
đến tăng kích thước hạt và kết tụ mạnh.
Sau khi ăn mòn, quá trình tạo hạt dừng lại và sự kết tụ vẫn tiếp tục.
Tốc độ kết tụ tùy thuộc vào sự tương tác của phân tử môi trường chất lỏng
với các nguyên tử bề mặt của hạt nano và tương tác giữa các hạt nano với
nhau. Tương tác bề mặt giữa các hạt nano có thể tạo thành một dung dịch
keo bền vững hay là phân tán, kết tụ, kết nối và tạo thành cấu trúc giống như
dây. Trong khi đó tương tác giữa các hạt nano với nhau phụ thuộc vào lực
đẩy và lực hút giữa chúng, ví dụ lực hút Van der Waals gây nên kết tụ và lực
đẩy tĩnh điện nhờ bao quanh bởi lớp điện tích kép ngăn cản kết tụ.
1.3. Khái quát về vi khuẩn
Vi khuẩn là những sinh vật đơn bào, có cấu trúc tế bào đơn giản không
có nhân (Prokaryote – sinh vật nhân sơ). Vi khuẩn hiện diện ở khắp mọi nơi
trong đất, nước, không khí, kể cả những nơi có điều kiện sống khắc nghiệt như
trên miệng núi lửa hay trên băng tuyết... Có rất nhiều chủng vi khuẩn, và mỗi
chủng vi khuẩn đều có sự khác nhau về đặc tính và hình thái [44].
Vi khuẩn có nhiều hình dáng: vi khuẩn có nhiều hình dáng khác nhau và
được gọi với tên gọi theo hình dạng của chúng như trực khuẩn (bacillus), hình
16
cầu, xoắn khuẩn (spirillum), hình que, cầu khuẩn (coccus)… hình dáng vi
khuẩn là một đặc điểm quan trọng để nhận dạng các chi được đặt tên theo hình
dạng [44].
Hình 1.9. Vi khuẩn E.coli [44]
Vi khuẩn có ích hoặc có hại cho môi trường, thực vật và động vật bao
gồm cả con người. Một số tác nhân gây bệnh như bệnh uốn ván (tetanus), sốt
thương hàn (typhoid fover), giang mai (syphilis), tả (cholera), lao
(tuberculosis)… Trong luận văn này, chúng tôi có sử dụng nano Pt để thử khả
năng bất hoạt vi khuẩn E.coli, do đó chúng tôi sẽ trình bày sơ lược về loại vi
khuẩn E.coli này.
Vi khuẩn E.coli
❖ Phân loại khoa học:
Ngành: Proteobacteria
Lớp: Gamma Proteobacteria
Bộ : Enterobacteriales
Họ : Enterobacteriaceae
Chi : Escherichia
17
Loài: E. coli
❖ Đặc điểm:
E.coli hay còn gọi là vi khuẩn đại tràng, là một trong những loài vi
khuẩn chính ký sinh trong đường ruột của người và động vật máu nóng.
Chúng được phát hiện đầu tiên vào năm 1885 do Escherich phát hiện, thuộc
họ vi khuẩn Enterobacteriaceae. Chúng là các trực khuẩn Gram âm. Kích
thước trung bình (2 - 3 µm) × 0,5 µm. Trong những điều kiện không thích hợp
vi khuẩn có thể dài như sợi chỉ [44, 45].
1.4. Cơ chế diệt khuẩn của nano Pt
Hiện nay, do vi khuẩn ngày càng kháng thuốc kháng sinh nên các nhà
khoa học đang tập trung đi tìm các tác nhân mới để diệt chúng và Pt là một
trong những chất được tập trung nghiên cứu.
Sở dĩ nano Pt được nghiên cứu ứng dụng vào việc kháng khuẩn vì Pt là
kháng sinh tự nhiên và không gây tác dụng phụ. Tuy nhiên cho tới nay, cơ chế
kháng vi sinh vật của nano Pt vẫn chưa được hiểu biết rõ ràng. Bằng các kỹ
thuật chụp ảnh kính hiển vi điện tử có độ phóng đại cao, kết quả nghiên cứu
cho thấy, hạt nano Pt bám dính với các thành phần điện tích âm trên bề mặt tế
bào vi khuẩn, virut làm thay đổi tính thấm và sự hô hấp của màng tế bào.
Đồng thời các hạt Pt có kích thước nhỏ chui vào trong tế bào, kết hợp với các
enzym hay DNA có chứa nhóm sun-phua hoặc phốt-phát gây bất hoạt enzym
hay DNA dẫn đến gây chết tế bào [46-48]. Trước sự gia tăng của dòng vi
khuẩn kháng thuốc kháng sinh điển hình là Staphylococcus aureus hay các
loại vi nấm gây bệnh thực vật thiếu thuốc đặc trị thì việc lựa chọn các chế
phẩm chứa nano kim loại quý nói chung và nano Pt nói riêng đang rất được
18
quan tâm.
Hình 1.10: Chế độ kháng khuẩn của vật liệu nano [46].
Hình 1.10 là sơ đồ tổng quát mô tả các phương thức hoạt động phổ biến
của vật liệu nano. Vật liệu nano kháng khuẩn được biết đến nhiều nhất tương
tác tĩnh điện với màng vi khuẩn gây ra sự gián đoạn màng. Thông thường, các
gốc tự do (các đốm vàng ROS) được tạo ra do các tương tác màng tế bào và
vật liệu nano. Các gốc tự do này có thể gây tổn thương màng thứ cấp, gây trở
ngại cho chức năng protein, gây ra sự phá hủy DNA và dẫn đến sự tạo thành
các gốc tự do quá giới hạn. Vật liệu nano kháng khuẩn khác được hoạt hóa
(quang hóa). Nitơ oxide (NO) vật liệu nano có liên quan với RNS (đốm xanh
trong Hình 1.10). Vật liệu nano đa chiều (QPEI) có một tính năng độc đáo vì
19
chúng dường như tạo ra sự tiết tín hiệu có thể tăng cường sự chết của tế bào.
Chương 2.
CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hệ thiết bị chế tạo hạt nano kim loại bằng laser Nd:YAG
2.1.1. Sơ đồ hệ ăn mòn laser
Sau khi nghiên cứu các tài liệu về ăn mòn laser về các yêu cầu của xung
laser (năng lượng, thời gian, độ rộng xung, bước sóng) cũng như các yêu cầu
về điều kiện thực nghiệm để chế tạo các hạt nano kim loại. Đồng thời, tìm
hiểu laser và các thiết bị quang học trong bộ môn cũng như các điều kiện về
hóa chất, vật liệu khối kim loại ban đầu. Chúng tôi tiến hành xây dựng hệ ăn
mòn laser. Hệ ăn mòn laser được bố trí như hình 2.1.
Nd:YAG laser
Lăng kính
Hệ thấu kính
Dung dịch
Khối kim loại
Hệ xoay
Hình 2.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ ăn mòn laser
20
Chùm laser được hội tụ bằng một bộ các linh kiện quang học và được
chiếu tới vuông góc với bề mặt tấm kim loại. Hệ được lắp đặt sao cho khoảng
cách từ thấu kính đến bề mặt tấm kim loại gần bằng tiêu cự của thấu kính
nhằm tăng cường sự hội tụ của chùm laser. Tuy nhiên, khoảng cách này có thể
điều chỉnh dễ dàng nhờ một giá đỡ có khả năng điều chỉnh độ cao. Thông
thường khoảng cách này được điều chỉnh sao cho nó ngắn hơn tiêu cự của
thấu một chút để xung laser tạo một vết xác định trên tấm kim loại.
Để tạo ra sự ăn mòn kim loại đều và để ngăn chặn hiệu ứng kết hợp,
tấm kim loại được quay trong quá trình ăn mòn laser.
2.1.2. Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230
Trong thí nghiệm của mình, chúng tôi đã sử dụng laser Nd:YAG
Quanta Ray Pro 230 được chế tạo bởi hãng Spectra – Physics, theo đúng tiêu
chuẩn của Hoa Kỳ, là một trong những laser rắn hiện đại hiện nay [49, 50].
2.1.2.1. Cấu tạo.
Laser gồm có 3 phần chính: đầu laser, nguồn điện và bộ điều khiển.
a) Đầu laser
Đầu laser bao gồm buồng cộng hưởng quang học, thanh hoạt chất
Nd:YAG, đèn bơm flash tạo dao động, khuyếch đại và bộ hoà ba.
b) Nguồn điện
Nguồn điện là một thiết bị bao gồm các hệ thống mạch điện AC/DC
cung cấp điện cho toàn bộ đầu laser. Ngoài ra nó còn chứa máy bơm và hệ
thống làm mát bằng nước. Hệ thống làm mát bằng nước của laser có nguyên lý
bao gồm hai vòng tách biệt nhau. Có một vòng khép kín nước sạch từ power
supply đến đầu laser và nước nóng khi quay về power supply sẽ được làm mát
21
bằng một nguồn nước khác nối với máy bơm bên ngoài tạo thành một vòng
khép kín thứ hai. Các thông số của power supply: sử dụng nguồn điện một
pha, 190 - 260 V, 53/60 Hz, < 25 A.
c) Bộ điều khiển
Bộ điều khiển giúp ta điều khiển hoạt động của laser một cách linh hoạt
phù hợp trong phòng thí nghiệm. Bao gồm điều khiển chế độ đóng ngắt laser,
năng lượng xung, chế độ phát xung...
(a) Đầu laser
(b) Nguồn điện (c) Bộ điều khiển
Hình 2.2. Cấu tạo của laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 [50]
2.1.2.2. Đặc điểm của laser Nd: YAG Quanta Ray Pro 230
- Laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230 phát xung ngắn bằng kỹ thuật
Q-switching. Năng lượng xung tối đa là 1200 mJ, độ rộng xung từ 7 – 10 ns và
22
tần số lặp lại 10 Hz. Laser có thể hoạt động ở các bước sóng cơ bản 1064 nm,
hoặc 532 nm và 355 nm nhờ sự phát hòa ba bậc 2 và bậc 3 của tinh thể phi
tuyến.
- Nguồn bơm cho laser Nd:YAG là đèn Kripton. Năng lượng của đèn
khá phù hợp với phổ hấp thụ của ion hoạt chất Nd3+.
- Hoạt chất của laser này là tinh thể Ytrium Aluminium Garnet
Y2Al5O12 có pha tạp ion Nd+3 làm tâm hoạt chất.
2.2. Các hóa chất sử dụng
2.2.1. Platin
Kí hiệu hóa học: Pt. Số nguyên tử: 78
Khối lượng riêng: 21,450 kg/m³
Bề ngoài: kim loại màu trắng xám.
Mẫu platin được sử dụng trong nghiên cứu này là mẫu platin kim loại
tinh khiết.
2.2.2. Nước cất
Công thức hóa học: H2O, H-O-H
Ở trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng nước cất 2 lần đảm bảo tinh
khiết, không lẫn tạp chất, với vai trò là dung môi cho dung dịch chất hoạt hóa
bề mặt.
2.2.3. Ethanol
Chúng tôi chế tạo hạt nano trong dung môi: Ethanol CH3CH2OH là chất lỏng tan vô hạn trong nước, khối lượng riêng 0,789 g/cm3 (ở 20 oC) để
23
chế tạo các hạt nano kim loại.
2. 3. Quy trình chế tạo hạt nano kim loại
* Quy trình thí nghiệm
Thực nghiệm phương pháp ăn mòn laser để chế tạo hạt nano platin được
thực hiện tại Phòng thí nghiệm Laser, Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật lý,
Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - ĐHQG Hà Nội.
Sử dụng phương pháp ăn mòn laser chúng tôi đã chế tạo được các hạt
nano kim loại Pt trong nước và ethanol.
- Miếng kim loại Pt được dát mỏng, có kích thước 1 1 cm2 và độ dày
khoảng 1 mm. Làm sạch miếng Pt bằng phương pháp siêu âm sau đó đặt
miếng Pt trong cốc thủy tinh có chứa 10 ml nước cất hoặc dung dịch chất hoạt
hóa bề mặt .
- Laser Nd -YAG (Quanta Ray Pro 230) được đặt ở chế độ như sau: độ
rộng xung 8 ns, tần số lặp lại 10 Hz ở bước sóng cơ bản 1064 nm.
- Chùm tia laser được hội tụ bằng một thấu kính có tiêu cự f = 150 mm
vào miếng Pt. Miếng Pt được quay trong quá trình ăn mòn laser bằng hệ xoay
(9 vòng/phút) .
Lần lượt tiến hành thí nghiệm đối với các dung môi khác nhau và công
suất chiếu của laser là khác nhau. Thời gian chiếu laser đối với mỗi mẫu là
24
khác nhau từ 15 đến 30 phút.
Chùm laser
Xung laser Nd:YAG
(=1064 nm, f = 10 Hz, = 8 ns)
Hệ ăn mòn laser
(tấm Pt + 10 ml chất lỏng)
Hệ quay
Dung dịch chứa hạt nano Platin
Hình 2.3: Mô hình quy trình thí nghiệm
Chúng tôi đã lần lượt thay đổi từng giá trị của công suất laser
(250 – 500 W), bước sóng laser 1064 nm nhằm khảo sát sự thay đổi về tính
chất quang của mẫu hạt nano chế tạo được khi thay đổi điều kiện ăn mòn.
2.4. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
2.4.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ (UV-Vis)
Hấp thu ̣ quang là phương pháp quan tro ̣ng để nghiên cứ u các tính chất quang củ a hầu hết các vật liệu quang. Từ phổ hấp thu ̣ quang có thể cung cấp các thông tin về hiệu ứ ng giam giữ lươ ̣ng tử đố i vớ i các ha ̣t tải, xác đi ̣nh đươ ̣c
mứ c năng lươ ̣ng cơ bản. Nguyên tắc đo hấp thu ̣ quang là cho chùm ánh sáng có độ dài sóng xác đi ̣nh đi qua vật thể hấp thu ̣, thườ ng ở da ̣ng dung di ̣ch. Dựa vào lươ ̣ng ánh sáng đã bi ̣ hấp thu ̣ bở i dung di ̣ch để suy ra nồ ng độ củ a dung
di ̣ch đó. Sử du ̣ng mố i liên hệ:
I0 = IA + IR + I
trong đó, I0 là cườ ng độ ban đầu củ a nguồ n sáng, IA là cườ ng độ ánh sáng bi ̣ 25
hấp thu ̣ bở i dung di ̣ch, IR là cườ ng độ ánh sáng phản xa ̣ bở i thành cuvet và
dung di ̣ch, giá tri ̣ này đươ ̣c loa ̣i bỏ bằng cách lặp la ̣i hai lần đo, I là cườ ng độ
ánh sáng sau khi đi qua dung di ̣ch.
Độ truyền qua
T() = I()/I0()
và độ hấp thu ̣
A() = - log10T()
sẽ cho thông tin về đặc trưng hấp thu ̣ quang củ a mẫu. Các phép đo quang phổ hấp thu ̣ củ a mẫu đều đươ ̣c đo dướ i da ̣ng dung di ̣ch. Phép đo phổ hấp thu ̣ đươ ̣c tiến hành trên hệ đo máy quang phổ UV-2450 tại Trung tâm Khoa học Vật
liệu - Đại học Khoa học Tự nhiên. Đây là một thiết bị rất hiện đại và chính xác
được sử dụng trong phân tích sản xuất vật liệu mới cũng như phân tích tính
chất của các chất trong nghiên cứu hoá sinh, môi trường [51].
2.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua được phát triển từ năm 1930 là công cụ
kỹ thuật không thể thiếu cho nghiên cứu vật liệu và y học. Dựa trên nguyên
tắc hoạt động cơ bản của kính hiển vi quang học, TEM có ưu điểm nổi bật nhờ
bước sóng của chùm điện tử ngắn hơn rất nhiều so với ánh sáng nhìn thấy nên
TEM có thể quan sát tới kích cỡ 0,2 nm và được sử dụng để nghiên cứu cấu
trúc bên trong của hạt có kích thước cỡ nano và micro.
2.4.2.1. Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi truyền qua
TEM hoạt động bằng cách làm cho các electron di chuyển xuyên qua
mẫu vật và sử dụng các thấu kính từ tính phóng đại hình ảnh của cấu trúc,
phần nào giống như ánh sáng chiếu xuyên qua vật liệu ở các kính hiển vi ánh
sáng thông thường. Các điện tử từ catot (làm bằng dây Wonfram đốt nóng) đi
tới anot và được hội tụ bằng “thấu kính từ” lên mẫu đặt trong buồng chân 26
không. Tác dụng của tia điện tử tới mẫu có thể tạo ra chùm điện tử thứ cấp,
điện tử phản xạ, điện tử Auger, tia X thứ cấp, phát quang catot và tán xạ
không đàn hồi với các đám mây điện tử trong mẫu cùng với tán xạ đàn hồi với
hạt nhân nguyên tử. Các điện tử truyền qua mẫu được khuyếch đại và ghi lại
dưới dạng ảnh huỳnh quang hoặc kỹ thuật số.
Do bước sóng của các electron ngắn hơn bước sóng của ánh sáng, nên
các hình ảnh của TEM có độ phân giải cao hơn so với các hình ảnh của một
kính hiển vi ánh sáng. TEM có thể cho thấy rõ những chi tiết nhỏ nhất của cấu
trúc bên trong, trong một số trường hợp lên tới từng nguyên tử.
Nhiễu xạ điện tử có thể cung cấp những thông tin rất cơ bản về cấu trúc
tinh thể và đặc trưng vật liệu. Chùm điện tử nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào
bước sóng của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân
theo định luật Bragg.
Do bước sóng của chùm điện tử rất nhỏ nên ứng với các khoảng cách
mạng trong tinh thể thì góc nhiễu xạ phải rất bé (θ ≈ 0,010).
Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu, ảnh nhiễu xạ điện tử thường là
những vùng sáng tối gọi là trường sáng - trường tối. Trường sáng là ảnh của
vật liệu vô định hình còn trường tối là ảnh của vật liệu có dạng tinh thể.
2.4.2.2. Quy trình tiến hành đo TEM
Để khảo sát các thông số có thể ảnh hưởng tới kích thước hạt như kim
loại, dung môi, nồng độ dung môi, thời gian chiếu laser, công suất laser, bước
sóng laser, chúng tôi chọn hai mẫu có cùng một điều kiện về các thông số và
khác nhau về một thông số cần nghiên cứu. Các mẫu sau khi được chế tạo
được cho vào lọ thuỷ tinh màu để tránh ánh sáng, đậy kín để tránh tiếp xúc
không khí. Sau đó được gửi đi đo TEM tại Viện dịch tễ TW, Hà Nội.
Mẫu được gửi đến nơi đo TEM ở dạng dung dịch. Người ta lấy một lưới
đồng nhúng vào dung dịch chứa hạt nano kim loại. Sau khi lấy ra các hạt nano 27
kim loại sẽ bám vào bề mặt lưới và đo bằng kính hiển vi điện tử truyền qua
JEM1010-JEOL. Sau khi tinh chỉnh máy để đạt được ảnh TEM của hạt nano
kim loại rõ nét nhất, các ảnh TEM sẽ được chụp và gửi dữ liệu đến máy tính
dưới dạng file ảnh.
2.4.2.3. Xử lý số liệu
Trong luận văn, chúng tôi xác định kích thước hạt dựa trên phần mềm
ImagieJ 1.37 của Wayne Rasband (Nationnal institues of Heath, USA). Phần
mềm ImagieJ 1.37 cho phép định nghĩa một khoảng có độ dài có giá trị chuẩn
trên hình. Sau đó, tiến hành đo đường kính các hạt nano Platin trên hình. Phần
mềm còn cho phép ta có thể phóng to ảnh để xác định chính xác bán kính hạt.
Tiến hành xác định đường kính của khoảng 500 hạt. Sau đó đưa số liệu vào
phần mềm OriginLab 8.0 phân tích tần xuất xuất hiện các kích thước hạt. Kích
thước hạt trung bình có thể tính dựa vào phần mềm Microsoft Excel 2007
bằng hàm Average.
2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
2.4.3.1. Nguyên tắc của phương pháp nhiễu xạ tia X
Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để xác định vật liệu được tạo
thành, cấu trúc tinh thể, kích thước trung bình của tinh thể. Dựa trên ảnh
hưởng khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ tia X. Phương pháp
nhiễu xạ tia X cho phép xác định kích thước tinh thể dựa trên phân tích hình
dáng và đặc điểm của đường cong phân bố cường độ của đường nhiễu xạ tia X
28
dọc theo trục đo góc 2θ.
Hình 2.4: Máy nhiễu xạ tia X D5005 tại TTKH Vật liệu
Cơ sở của phổ nhiễu xạ tia X là: Khi chiếu một chùm tia X có bước
sóng từ 10-9 ÷ 10-12 m vào một tinh thể thì tia X sẽ bị tán xạ theo các phương
khác nhau trên mặt phẳng khác nhau của tinh thể. Sau khi tán xạ chúng sẽ giao
thoa với nhau, tạo nên các cực đại, cực tiểu giao thoa tuỳ thuộc vào hiệu
quang trình của chúng. Chùm nhiễu xạ từ vật liệu phụ thuộc vào bước sóng
của chùm điện tử tới và khoảng cách mặt mạng trong tinh thể, tuân theo định
luật Bragg:
nλ = 2dsinθ (2.1)
Bằng cách sử dụng mẫu chuẩn, nhiễu xạ với cùng điều kiện với mẫu
nghiên cứu, sự nhoè rộng bởi điều kiện thực nghiệm được loại bỏ. Sự nhoè
rộng của phổ nhiễu xạ tia X thu được là do bản thân của mẫu nghiên cứu được
29
gọi là sự nhòe rộng vật lý và độ rộng gọi là độ rộng vật lý β.
Độ rộng vật lý liên quan đến kích thước tinh thể theo phương trình
Scherer: D = k (2.2)
Với D là kích thước tinh thể, k = 0.94 là hệ số tỉ lệ. Do kích thước tinh thể D
theo chiều vuông góc với mặt nhiễu xạ tỉ lệ nghịch với cosθ, nên để xác định
kích thước tinh thể với độ chính xác cao thì phải dùng đường nhiễu xạ đầu tiên
với góc θ nhỏ nhất.
2.4.3.2. Quy trình đo phổ nhiễu xạ tia X
Mẫu được dùng đo nhiễu xạ tia X dùng để xác định chính xác trong
dung dịch tạo ra là hạt nano kim loại trùng với vật liệu khối đã sử dụng chứ
khong phải một chất nào khác. Đồng thời qua phổ tia X để xác định kích
thước hạt nano tạo thành là kích nano thông qua tính toán dựa trên phổ nhiễu
xạ tia X và phương trình Scherer.
Mẫu được đo là dạng dung dịch sẽ được lọc để tăng nồng độ hạt. Sau đó
sẽ đưa vào quay li tâm để thu được hạt dạng tinh thể.
Phép đo được thực hiện trên hệ máy Siemens D5005 tại TTKH Vật
liệu (ĐHKHTN-ĐHQGHN). Máy có bước sóng nhiễu xạ tia X là
= 1,54056 Å.
Vì mẫu chế tạo được ở dạng dung dịch nên việc đo mẫu không đơn
giản. Để tiến hành đo nhiễu xạ tia X, chúng tôi đã phải biến đổi mẫu sang thể
rắn (dạng màng mỏng). Đầu tiên mẫu dung dịch sẽ được quay ly tâm để loại
bỏ chất hoạt hóa bề mặt dư thừa rồi cô khô trên một lamen kính bằng
phương pháp nhỏ giọt. Sau đó mẫu được đưa đi đo phổ nhiễu xạ tia X ở dạng
30
màng mỏng
2.4.3.3. Xử lý số liệu
Phổ nhiễu xạ tia X sẽ được vẽ trên phần mềm OriginLab 8.0 từ đó xác
định vị trí các đỉnh và góc nhiễu xạ tại vị trí các đỉnh. Xác định độ bán rộng
của đỉnh và thay vào phương trình Scherer ta sẽ tính được bán kính của hạt.
2.4.4. Khảo sát hiệu quả kháng khuẩn của nano Pt
Thử nghiệm hiệu quả kháng khuẩn của 3 mẫu nano Pt được chế tạo
trong nước với vi khuẩn E.coli tiến hành trên đĩa LB đặc. Sử dụng 1 đĩa LB
đặc với đường kính đĩa là 9 cm cho thí nghiệm này bằng phương pháp đục lỗ,
nhỏ vào mỗi lỗ 100 µl nano Pt, và nuôi cấy sau 12 giờ ở buồng nuôi cấy, nhằm
tìm ra mẫu nano Pt có tính kháng khuẩn mạnh hơn.
Các bước tiến hành thí nghiệm:
❖ Cấy trải vi khuẩn
+ Sử dụng pipet cho 200 µl dịch khuẩn lên bề mặt đĩa LB thạch agar
đặc.
+ Sử dụng que cấy trải (đã khử trùng) để trải đều vi khuẩn ra toàn bộ
mặt đĩa.
+ Kết thúc cấy trải.
❖ Phương pháp đục lỗ
+ Sau khi cấy trải vi khuẩn, sử dụng dụng cụ để đục các lỗ nhỏ (giếng)
với đường kính 9 mm trong đĩa.
+ Dùng pipet nhỏ 100 µl nano Pt vào mỗi lỗ, đợi 15 phút cho nano Pt
khuếch tán ra toàn bộ mặt đĩa.
31
+ Cho vào tủ nuôi qua đêm ở nhiệt độ 37 0C.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của công suất laser
3.1.1. Đo nhiễu xạ tia X
Chúng tôi chuẩn bị một mẫu và tiến hành ăn mòn trong 15 phút với
công suất laser trung bình là 450 mW.
Để khẳng định mẫu nano chế tạo được chính là nano platin và cũng để
xác định rõ cấu trúc tinh thể và kích thước hạt trung bình, chúng tôi đã tiến
hành đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu hạt nano platin. Kết quả phổ nhiễu xạ tia
X thu được như hình 3.1.
Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano platin
Vị trí các đỉnh nhiễu xạ thu được hoàn toàn trùng khớp với vị trí đỉnh
nhiễu xạ tia X của kim loại platin. Điều này cho phép khẳng định vật liệu chế
tạo được đúng là nano platin. Giản đồ nhiễu xạ tia X cho biết hạt nano chế tạo
được có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương tâm mặt (JCPDS 04-0802).
Đỉnh nhiễu xạ tia X tại vị trí góc 2θ là 39,8o; 46,3o và 67,4o. Đỉnh nhiễu
32
xạ ứng với góc 2 = 39,8o có cường độ mạnh nhất.
Dựa vào phương trình Scherrer ta có thể tính được kích thước trung
bình của tinh thể: D = k
Với:
D là kích thước tinh thể
k = 0.94 là hệ số tỉ lệ.
Bước sóng tia X: = 1,54056 Å
Góc nhiễu xạ :
Độ bán mở rộng vạch (ứng với vạch phổ đầu tiên) : = 0,61o =
10,610-3 rad
Thay vào phương trình Scherrer ta tính được: D = 14,5 nm
3.1.2. Phổ hấp thụ UV – Vis
Để tìm hiểu ảnh hưởng của công suất laser lên kích thước hạt trung bình
của hạt nano Pt chúng tôi tiến hành chế tạo hạt nano Pt cùng một điều kiện
chiếu sáng với các công suất laser trung bình khác nhau thay đổi từ 250 mW
đến 450 mW.
Phổ hấp thụ UV-VIS của ba mẫu đầu thu được như trên hình 3.2.
Nhìn vào hình vẽ ta thấy, đỉnh phổ hấp thụ của hạt nano Pt xung quanh
233 nm. Vị trí đỉnh cộng hưởng thay đổi nhỏ so với khi thay đổi công suất
trung bình laser. Như vậy, khi thay đổi năng lượng xung laser trong vùng làm
việc từ 250 mW đến 450 mW ta thấy đỉnh phổ gần như không bị dịch chuyển
33
hay kích thước hạt nano Pt ít bị thay đổi.
Hình 3.2. Phổ UV-VIS của nano Pt được chế tạo trong nước với các công suất khác
nhau, ở bước sóng laser 1064 nm trong thời gian chiếu sáng 15 phút
3.1.3. Hình thái và kích thước
Để xác định kích thước hạt cũng như sự phân bố kích thước hạt, chúng
tôi tiến hành đo kích thước hạt Pt trong nước bằng kính hiển vi điện tử truyền
qua (TEM). Quan sát ảnh TEM của hạt nano Pt (Hình 3.3), ta thấy các hạt có
hình dạng tương đối cầu và không đồng đều, các hạt có xu hướng co cụm lại,
kích thước các hạt phân bố từ 5 - 20 nm.
Sử dụng phần mềm ImageJ 1.44 (để thực hiện phép đo kích thước hạt)
và OriginLab, ta được giản đồ phân bố kích thước của hạt nano Pt như trong
hình 3.3. Kích thước hạt phân bố tập trung nhất trong khoảng từ 10 đến 15 nm.
34
Kích thước hạt trung bình là 14 nm.
t ạ h g n ợ ư l ố S
Đường kính hạt (nm)
Hình 3.3. Ảnh TEM và sơ đồ phân bố kích thước hạt tương ứng của hạt nano Pt chế
tạo bằng phương pháp ăn mòn laser (1064 nm, 450 mW, 15 phút) trong nước.
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng laser
3.2.1. Phổ hấp thụ
Để khảo sát ảnh hưởng ảnh hưởng của thời gian ăn mòn laser lên kích
thước trung bình của hạt nano Pt chúng tôi chọn mức công suất trung bình
500 mW cố định và thay đổi thời gian ăn mòn ở 20 phút và 30 phút. Phổ hấp
thụ của các mẫu hạt nano Pt thu được trên máy đo phổ UV-Vis 2450 được chỉ
ra trên hình 3.4.
Từ hình 3.4 ta thấy, khi tăng thời gian ăn mòn từ 20 phút lên 30 phút thì
đỉnh phổ hấp thụ dịch chuyển về phía sóng ngắn (từ 232 nm đến 231 nm).
Theo lý thuyết Mie điều này tương ứng với kích thước hạt nhỏ hơn. Đồng thời
khi tăng thời gian ăn mòn, cường độ đỉnh hấp thụ tăng lên (Hình 3.4) chứng tỏ
35
mật độ hạt nano Pt trong nước tăng.
Hình 3.4. Phổ UV-VIS của nano Pt trong nước ứng với các thời gian kích thích
khác nhau (ở cùng một công suất kích thích và bước sóng laser 1064 nm)
3.2.2. Hình thái và kích thước
Để xác định kích thước hạt cũng như sự phân bố kích thước hạt của hai
mẫu trên, chúng tôi tiến hành đo kích thước hạt Pt trong nước bằng TEM. Ảnh
TEM của mẫu thu được như hình 3.5 Từ hình 3.5, ta thấy rằng các hạt nano
Pt phân bố không đồng đều trong khoảng từ 5 - 40 nm. Kích thước trung bình
của các hạt nano Pt được tạo ra trong nước là 13,2 nm (Hình 3.5 a) và 12 nm
(Hình 3.5 b). Kết quả này là phù hợp với kết quả phổ hấp thụ cộng hưởng
36
plasmon (Hình 3.4).
t ạ h g n ợ ư l
ố S
a)
Đường kính hạt (nm)
t ạ h g n ợ ư l
ố S
b)
Đường kính hạt (nm)
Hình 3.5 Ảnh TEM và sơ đồ phân bố kích thước hạt tương ứng của hạt nano Pt
chế tạo bằng phương pháp ăn mòn laser (1064 nm, 500 mW) trong nước. 20 phút
và (b) 30 phút
3.3. Khảo sát độ bền theo thời gian
Độ bền của mẫu cũng đã được khảo sát bằng cách so sánh phổ UV-Vis
của cùng một mẫu nano Pt được đo cách nhau khoảng 2 tháng. Kết quả thu
được như chỉ ra trong hình 3.6. Từ hình vẽ ta có thể thấy, phổ của hạt nano Pt
trong nước sau chế tạo 2 tháng (Hình 3.6), phổ dịch về sóng dài (339 nm),
đồng thời cường độ đỉnh phổ giảm, điều này thể hiện hạt nano Pt bị kết tụ rõ
37
rệt, kích thước hạt tăng lên và mật độ số hạt giảm.
Hình 3.6. Phổ hấp thụ UV-Vis của mẫu nano Pt được chế tạo bằng phương pháp
ăn mòn laser (1064 nm, 500 mW) trong nước với thời gian ăn mòn 20 phút và được
đo ở 2 thời điểm cách nhau hơn 2 tháng.
3.4. Nghiên cứu chế tạo hạt nano platin trong Ethanol
Sử dụng laser bước sóng 1064 nm, tần số 10 Hz, công suất 500 mW và
thời gian chiếu laser là 15 phút chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu chế tạo hạt
nano Pt trong ethanol. Dưới đây là các kết quả khảo sát cấu trúc hình thái của
hạt nano Pt chế tạo được.
3.4.1. Đo nhiễu xạ tia X
Để khẳng định mẫu nano chế tạo được chính là nano platin và cũng để
xác định rõ cấu trúc tinh thể và kích thước hạt trung bình, chúng tôi đã tiến
hành đo phổ nhiễu xạ tia X của mẫu hạt nano platin. Kết quả phổ nhiễu xạ tia
38
X thu được như hình 3.7.
Hình 3.7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano platin trong Ethanol
Vị trí các đỉnh nhiễu xạ thu được hoàn toàn trùng khớp với vị trí đỉnh
nhiễu xạ tia X của kim loại platin. Điều này cho phép khẳng định vật liệu chế
tạo được đúng là nano platin. Giản đồ nhiễu xạ tia X cho biết hạt nano chế tạo
được có cấu trúc tinh thể kiểu lập phương tâm mặt (JCPDS 04-0802).
3.4.2. Khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis
Hình 3.8 mô tả phổ hấp thụ của hạt nano platin trong ethanol. Quan sát
phổ thu được ta thấy đỉnh phổ hấp thụ của hạt nano platin ứng với bước sóng
266 nm. Đây là bước sóng nằm trong vùng hấp thụ cộng hưởng plasmon đặc
39
trưng của hạt nano platin.
Hình 3.8: Phổ hấp thụ của hạt nano platin trong ethanol
3.4.3. Khảo sát ảnh hiển vi điện tử
Để xác định hình thái và phân bố kích thước hạt, chúng tôi tiến hành thu
ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và xác định phân bố đo kích thước
hạt nano Pt chế tạo trong ethanol. Kết quả thu được như hình 3.9.
Hình 3.9: Ảnh TEM và phân bố kích thước của hạt nano platin trong ethanol 40 %,
công suất laser 500 mW, thời gian chiếu laser 15 phút
Quan sát ảnh TEM ta thấy rằng các hạt nano sinh ra có nhiều kích thước
40
khác nhau nhưng đa số đều có hình dạng gần như cầu. Phân bố kích thước của
các hạt nano platin trong ethanol tập trung trong khoảng từ 8 đến 16 nm với
kích thước hạt trung bình đo được là 10 nm.
3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của công suất laser trong quá trình chế tạo hạt
nano platin
Chọn thời gian ăn mòn không đổi 15 phút, bước sóng ăn mòn không đổi
là 1064 nm, chúng tôi tiến hành chế tạo hạt Pt trong ethanol với công suất
laser trung bình khác nhau 400 mW, 500 mW và 600 mW.
Hình 3.10: Phổ hấp thụ của hạt nano Pt trong ethanol với công suất laser khác
nhau 400 mW, 500 mW và 600 mW
Từ hình 3.10 ta thấy, khi tăng công suất laser từ 400 mW đến 600 mW
thì vị trí đỉnh phổ hấp thụ plasmon bề mặt hầu như không thay đổi, độ tăng
công suất tỉ lệ với cường độ hấp thụ, điều này có nghĩa là mật độ hạt sẽ càng
lớn. Như vậy, khoảng 400 mW đến 600 mW là khoảng công suất tốt để có thể
41
chế tạo hạt nano platin.
3.5. Thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của hạt nano Pt
Để kiểm tra khả năng diệt khuẩn của nano Pt, chúng tôi đã sử dụng
phương pháp đo bán kính vòng vô khuẩn để quan sát sự phát triển của vi
khuẩn Escherichia coli (E. coli). Thí nghiệm này, chúng tôi đã thực hiện tại
phòng vi sinh- khoa công nghệ sinh học trường ĐHKH- ĐH Thái Nguyên.
Trong phương pháp đo bán kính vòng vô khuẩn, ta đục một giếng trên
đĩa thạch đã được trang cấy vi khuẩn cần thử nghiệm, sau đó ta đưa một lượng
dung dịch nano Pt (được chế tạo trong nước) vào mỗi giếng (với đường kính 9
mm) ở nồng độ nhất định. Dung dịch nano Pt sẽ nhanh chóng khuếch tán trên
môi trường thạch ức chế sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn, tạo vòng
vô khuẩn. Tính kháng khuẩn mạnh hay yếu tuỳ thuộc vào đường kính vòng vô
khuẩn lớn hay nhỏ.
Môi trường thạch LB là một môi trường giàu dinh dưỡng được dùng
cho sự sinh trưởng của vi khuẩn (thành phần: tryptone 10 g, men lấy chính xác
5 g, NaCl 10 g, H2O 1 lít).
Chúng tôi đã chuẩn bị các mẫu dung dịch như sau:
Một khuẩn lạc của vi khuẩn E.coli được nuôi cấy trong môi trường LB
ở điều kiện 37 0C, lắc 200 vòng/phút qua đêm. Dịch nuôi cấy được ly tâm
5000 vòng/phút trong 5 phút thu cặn tế bào. Cặn tế bào được hòa tan bằng
đệm PBS (phosphate buffer saline) để có được nồng độ vi khuẩn 106 CFU/ml
xác định bằng tiêu chuẩn 0,5 McFarland đo bằng máy quang phổ ở bước sóng
625 nm.
Mẫu vi khuẩn E.coli được trộn đều và hút 200 µl mỗi loại cấy trang trên
đĩa petri (Φ 9 cm) chứa môi trường thạch LB dày 0,3 mm.
Để so sánh khả năng kháng khuẩn của hạt nano Pt chúng tôi đã sử dụng
42
thêm 02 loại thuốc kháng sinh làm đối chứng dương, đó là: Kanamycin sulfate
(Kw) và Rifampicin (Rf) với nồng độ 50 mg/ml. Đối chứng âm chính là nước
cất.
Các mẫu được sử dụng để kiểm tra tính kháng khuẩn của hạt nano Pt là
các mẫu được chế tạo trong nước ở các công suất laser khác nhau từ 250 mW
tới 450 mW trong cùng một khoảng thời gian chiếu 15 phút. Mỗi giếng được
cho 100 l dung dịch cần thử nghiệm.
Hình 3.11: Ảnh chụp kết quả thử khả năng kháng khuẩn E.coli trong đĩa thạch có
chứa Kw và Rf làm đối chứng dương, nước làm đối chứng âm và các hạt nano Pt ở
các công suất chiếu laser khác nhau từ 250 - 450 mW (sau 24h).
Thử hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nano Pt được chế tạo trong
nước với các công suất laser khác nhau (250 mW- 350 mW- 450 mW) được
cho vào môi trường LB thử với chủng vi khuẩn E.coli trên môi trường thạch
LB để xác định đường kính vòng vô khuẩn hình thành trên đĩa thạch sau 24h.
43
Kết quả được trình bày trong hình 3.11.
Bảng 3.1: Kết quả thử khả năng kháng khuẩn E.coli của mẫu hạt nano Pt và
các đối chứng
Đường kính vòng kháng khuẩn Mẫu (cm)
1 -
2 0,4
3 0,8
Kw 2,1
Rf 2,1
Từ bảng 3.1 ta thấy, trong mẫu đối chứng âm, vi khuẩn vẫn phát triển
bình thường như vùng không có mẫu, điều này cho thấy nước cất không gây
hại cho vi khuẩn. Sự có mặt của nano Pt trong các mẫu cho thấy khuẩn E.coli
đã bị tiêu diệt hoàn toàn trong vùng kháng khuẩn và đường kính vòng kháng
khuẩn (được đánh dấu như trong Hình 3.11) giảm dần ứng với các mẫu từ 3
tới 1. Các mẫu đối chứng dương Kw và Rf cho khả năng kháng khuẩn tốt hơn
với đường kính vòng kháng khuẩn lên tới 2,1 cm. Trong khi vòng kháng
khuẩn của mẫu hạt nano Pt chỉ là 0,8 cm (mẫu số 3) và 0,4 cm (mẫu số 2).
Mẫu hạt Pt số 1 (ứng với công suất laser ở 250 mW) chưa cho thấy khả năng
diệt khuẩn. Điều này được giải thích là do mật độ hạt của Pt là ít và sự hình
thành hạt trong dung dịch cũng chưa thực sự rõ ràng. Điều này chúng ta có thể
44
thấy từ phổ hấp thụ của mẫu ở công suất laser 250 mW (Hình 3.2).
KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Chế tạo và
nghiên cứu tính chất quang của hạt nano Pt bằng phương pháp ăn mòn
laser”, chúng tôi đã thu được một số kết quả sau:
1. Nghiên cứu lý thuyết về chế tạo hạt nano kim loại nói chung và nano
Pt nói riêng, bằng phương pháp ăn mòn laser.
2. Tiến hành thực nghiệm chế tạo các hạt nano Pt tại phòng thí nghiệm
bằng laser Nd:YAG Quanta Ray Pro 230, và đã chế tạo thành công hạt nano Pt
trong nước và ethanol. Các hạt nano Pt có kích thước trung bình nằm trong
khoảng 12 - 15 nm.
3. Bước đầu khảo sát được ảnh hưởng của công suất laser tới sự hình
thành, hình dạng, kích thước của các hạt nano Pt. Từ đó tìm được những thông
số hợp lý để chế tạo hạt nano phù hợp với yêu cầu mong muốn.
4. Bước đầu thử nghiệm khả năng diệt vi khuẩn E. coli. Kết quả cho
thấy nano Pt trong nước có tác dụng diệt khuẩn đối với vi khuẩn E. coli. Vật
liệu này có khả năng diệt khuẩn hoàn toàn ở nồng độ vi khuẩn 106 CFU/ml.
Các kết quả nghiên cứu này sẽ góp phần hoàn thiện công nghệ sản xuất vật
liệu nano Pt trong nước để ứng dụng vào trong y học và công nghệ môi trường
với vai trò là các tác nhân kháng khuẩn.
Do thời gian và điều kiện làm luận văn hạn chế, chúng tôi chưa thể
nghiên cứu sâu về các tính chất quang của hạt nano Pt cũng như những ứng
dụng của nó. Trong thời gian tới nếu có điều kiện, chúng tôi sẽ tiếp tục khảo
45
sát kĩ hơn về hạt nano Pt và nghiên cứu các ứng dụng trong thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Hoàng Nhâm, Hóa học vô cơ, Tập 3, NXB Giáo Dục, 2005.
Tiếng Anh
2. Teranishi, T., Hosoe, M., Tanaka, T. & Miyake, M. Size Control of
Monodispersed Pt Nanoparticles and Their 2D Organization by
Electrophoretic Deposition. J. Phys. Chem. B 103, 3818–3827 (1999).
3. Kra´lik, M. & Biffis. A. Catalysis by metal nanoparticles supported on
functional organic polymers. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical.
177, 113–138 (2001).
4. Rao, C. N. R., Kulkarni, G. U., Thomas, P. J. & Edwards, P. P., Metal
nanoparticles and their assemblies. Chem. Soc. Rev. 29, 27–35 (2000).
5. Lam, D. M. K. & Rossiter, B. W. Clear Advantage. Sci. Am. 265, 48–52
(1991).
6. Lewis, L. N. Chemical catalysis by colloids and clusters. Chem. Rev. 93,
2693–2730 (1993).
7. Maier, S.et al. Plasmonics-A Route to Nanoscale Optical Devices. Adv.
Mater. 13, 1501–1505 (2001).
8. Feldheim, D. L. & Keating, C. D. Self-assembly of single electron
transistors and related devices. Chem. Soc. Rev. 27, 1–12 (1998).
9. Kamat, P. V. Photophysical, Photochemical and Photocatalytic Aspects of
Metal Nanoparticles. J. Phys. Chem. B. 106, 7729–7744 (2002).
10. Murray, C. B., Sun, S., Doyle, H. & Betley, T. Monodisperse 3D
transition-metal (Co, Ni, Fe) nanoparticles and their assembly into
46
nanoparticle superlattices. Mater. Res. Soc. Bull. 26, 985–991 (2001).
11. Kim, Y., Johnson, R. C. & Hupp, J. T. Gold Nanoparticle-Based Sensing
of ‘‘Spectroscopically Silent’’ Heavy Metal Ions. Nano Lett. 1, 165–167
(2001).
12. Nicewarner-Pena, S. R.et al. Submicrometer metallic barcodes. Science,
294, 137–141 (2001).
13. Nie, S. & Emory, S. R. Probing Single Molecules and Single
Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering. Science. 275,
1102–1106 (1997).
14. Cao, Y. C., Jin, R. & Mirkin, C. A. Nanoparticles with Raman
spectroscopic fingerprints for DNA and RNA detection. Science. 297,
1536–1540 (2002).
15. Khalida Naseem Robina Begum Zahoor H. Farooqi, Platinum
nanoparticles fabricated multiresponsive microgel composites: Synthesis,
characterization, and applications, Polyme composites, Vol. 39, Issue 7,
pp. 2167-2180 (2018).
16. Al-Radadi, N.S. Green synthesis of platinum nanoparticles using Saudi’s
Dates extract and their usage on the cancer cell treatment. Arabian Journal
of Chemistry (2018), https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2018.05.008
17. Thondavada Niranjan et al., Green Synthesis of Platinum Nanoparticles
and Their Biomedical Applications, Green Metal Nanoparticles, Chapter
17, pp. 603-627 (2018)
18. Kim, J. H., Woo, H. J., Kim, C. K. & Yoon, C. S. The catalytic effect of Pt
nanoparticles supported on silicon oxide nanowire. Nanotechnology. 20,
235306 (pp7) (2009).
19. Cheng, H., Xi, C., Meng, X., Hao, Y., Yu, Y. &, Zhao F. Polyethylene
47
glycolstabilized platinum nanoparticles: The efficient and recyclable
catalysts for selective hydrogenation of o-chloronitrobenzene to o-
chloroaniline. Colliod. Interface Sci. 336, 675–678 (2009).
20. Xu, J. et al. Enhanced dehydrogenation of LiBH4 catalyzed by carbon-
supported Pt nanoparticles. Chem. Commun. 44, 5740–5742 (2008).
21. Ahmadi, T. S., Wang, Z. L., Green, T. C., Henglein, A., El-sayed, M. A.
Shape Controlled Synthesis of Colloidal Platinum Nanoparticles. Science.
272, 1924–1926 (1996).
22. Chen, J., Xiong, Y., Yin, Y., Xia, Y. Pt nanoparticles surfactant-directed
assembled into colloidal spheres and used as substrates in forming Pt
nanorods and nanowires. Small. 2, 1340–1343 (2006).
23. Chen, Y., Johnson, E. & Peng, X. Formation of monodisperse and shape
controlled MnO nanocrystals in non-injection synthesis: self-focusing via
ripening. J. Am. Chem. Soc. 129, 10937–10947 (2007).
24. Ford, W. E., Harnack, O., Yasuda, A. & Wessels, J. M. Platinated DNA as
Precursors to Templated Chains of Metal Nanoparticles. Adv. Mater. 13,
1793–1796 (2001).
25. Jana, N. R. & Peng, X. Single-Phase and Gram-Scale Routes toward
Nearly Monodisperse Au and Other Noble Metal Nanocrystals. J. Am.
Chem. Soc. 125, 14280–14281 (2003).
26. Narayanan, R. & El-Sayed, M. A. Shape-Dependent Catalytic Activity of
Platinum Nanoparticles in Colloidal Solution. Nano Lett. 4, 1343–1348
(2004).
27. Fenske, D. et al. J. Colloidal Synthesis of Pt Nanoparticles: On the
48
Formation and Stability of Nanowires. Langmuir. 24, 9011–9016 (2008).
28. Mafune, F., Kohno, J., Takeda, Y. & Kondow, T. Formation of Stable
Platinum Nanoparticles by Laser Ablation in Water. J. Phys. Chem. B.
107, 4218–4223 (2003).
29. Maria Isabel Mendivil Palma et al., Synthesis and Properties of Platinum
Nanoparticles by Pulsed Laser Ablation in Liquid, Journal of
Nanomaterials, Volume 2016, Article ID 9651637, 11 pages (2016).
30. T. B. Nguyen, T. D. Nguyen, Q. D. Nguyen, and T. T. Nguyen,
Preparation of platinum nanoparticles in liquids by laser ablation method,
Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 5,
No. 3, Article ID 035011, (2014).
31. Asharani, P. V., Xinyi, N., Hande, M. P. & Valiyaveettil, S. DNA damage
and p53-mediated growth arrest in human cells treated with platinum
nanoparticles. Nanomedicine, 5, 51–64 (2010).
32. https://en.wikipedia.org/wiki/Platinum
33. Simon Mostafa, Farzad Behafarid et al., Shape-Dependent Catalytic
Properties of Pt Nanoparticles, J. Am. Chem. Soc., 132 (44), pp 15714–
15719 (2010).
34. Mostafa, S., Behafarid, et al., Shape-Dependent Catalytic Properties of Pt
Nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 132 (44),
15714–15719 (2010).
35. S. A. Gama-Lara, Raúl. A. Morales-Luckie et al., Synthesis,
Characterization, and Catalytic Activity of Platinum Nanoparticles on
Bovine-Bone Powder: A Novel Support, Journal of Nanomaterials,
49
Volume 2018, Article ID 6482186, 8 pages (2018).
36. Sha LiEmail author, Erika Porcel et al., Platinum nanoparticles: an
exquisite tool to overcome radioresistance, Cancer Nanotechnology Basic,
Translational and Clinical Research 8:4 (2017).
37. Porcel E, Liehn S, et al., Platinum nanoparticles: a promising material for
future cancer therapy, Nanotechnology. 21(8): 85103, 2010.
38. Jean-Christophe Brachet et al., Journal of Nuclear Materials 488, 267e286
(2017).
39. Steven K. Hughes, Robert C. Fry, Joseph Brady, Laser Ablation for Direct
ICP and ICP-MS Analysis, 2008.
40. Leonid V. Z., Prasad B. S. K., and Barbara J. G., Molecular Dynamics
Model for Laser Ablation and Desorption of Organic Solids, J. Phys.
Chem. B, 101 (11), pp. 2028–2037 (1997).
41. Sonntag, S., Trichet Paredes, C., Roth, J., Trebin, H.-R. Molecular
dynamics simulations of cluster distribution from femtosecond laser
ablation in aluminum, Applied Physics A 104, 559-65 (2011).
42. Leonid V. Z. et al., A Microscopic View of Laser Ablation, J. Phys. Chem.
B, Feature Article, 102, 2845-2853 (1998).
43. Mafune F., J. Kohno, Y. Takeda & T. Kondow, Dissociation and
aggregation of gold nanoparticles under laser irradiation, J. Phys. Chem. B
(105), 9050–9056 (2001).
44. https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteria
45. https://en.wikipedia.org/wiki/Escherichia_coli
46. Nurit Beyth et al., Alternative Antimicrobial Approach: Nano-
Antimicrobial Materials, Evidence-Based Complementary and Alternative.
50
Medicine, Vol. 2015, Article ID 246012, 16 pages (2015).
47. P. V. Asharani, N. Xinyi, M. P. Hande, and S. Valiyaveettil, “DNA
damage and p53-mediated growth arrest in human cells treated with
platinum nanoparticles,” Nanomedicine, vol. 5, no. 1, pp. 51–64, (2010).
48. J. Gopal, N. Hasan, M. Manikandan, and H. F. Wu, “Bacterial
toxicity/compatibility of platinum nanospheres, nanocuboids and
nanoflowers,” Scientific Reports, vol. 3, article 1260 (2013).
49.https://www.spectra-physics.com/products/high-energy-pulsed-
lasers/quanta-ray-pro
50. Catalog - Laser Nd:YAG Quanta - Ray PRO - 230 - Spectra-Physics
(USA)
51. Istruction manual UV-2450 Series User’s System Guide Shimadzu
51
Corporation.
