Nguyễn Thị Ngọc Linh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
96(08): 81 - 84<br />
<br />
TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH KHÁNG KHUẨN, KHÁNG NẤM<br />
CỦA VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG TiO2 ANATAS<br />
Nguyễn Thị Ngọc Linh*,<br />
Trịnh Ngọc Hoàng, Nguyễn Thị Hồng Hoa<br />
Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Vật liệu TiO2 được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với các tỉ lệ mol TTIP : Ax là (1:1), (1:2),<br />
(1:3) và (1:4). Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt của các mẫu được kiểm tra bằng phương pháp<br />
nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM). Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của vật<br />
liệu được khảo sát với chủng vi khuẩn Bacillus subtilis và nấm mốc trắng bằng phương pháp khối<br />
thạch cải tiến trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật<br />
liệu tồn tại ở pha anatas, có dạng hạt, hình cầu tương đối đồng đều, cấu trúc xốp và có kích thước<br />
trung bình khoảng 10 nm. Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của vật liệu TiO2 anatas đều thể hiện<br />
rõ trong điều kiện sử dụng ánh sáng mặt trời tự nhiên. Khả năng kháng nấm mốc trắng của vật liệu<br />
tốt hơn kháng vi khuẩn Bacillus subtilis. Trong cùng một điều kiện chế tạo, mẫu có tỉ lệ mol TTIP:<br />
Ax là (1:4) có chất lượng tinh thể và khả năng kháng khuẩn, kháng nấm tốt nhất.<br />
Từ khóa: vật liệu, nano TiO2, phương pháp sol-gel, hoạt tính kháng khuẩn, xúc tác quang hóa.<br />
<br />
MỞ ĐẦU*<br />
Trong hai thập kỷ gần đây, quá trình xúc tác<br />
quang hóa trên cơ sở TiO2 được xem là một<br />
phương pháp hiệu quả và có triển vọng thay<br />
thế phương pháp truyền thống để xử lý các<br />
chất thải hữu cơ, vi khuẩn, nấm mốc trong<br />
môi trường [1], [2], [5]. Khi các hạt bán dẫn<br />
TiO2 được chiếu sáng với bức xạ UV có năng<br />
lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm của<br />
chúng sẽ làm phát sinh ra cặp điện tử và lỗ<br />
trống (e-/h+) (hình 1), sau đó các cặp e-/h+ này<br />
có thể di chuyển ra bề mặt của hạt để khởi<br />
đầu cho những phản ứng oxi hóa-khử với các<br />
chất hữu cơ, vi khuẩn, nấm mốc được hấp phụ<br />
trên bề mặt TiO2. Trong đa số trường hợp,<br />
quá trình oxi hóa-khử này dẫn đến sự vô cơ<br />
hóa hoàn toàn chất hữu cơ cho sản phẩm cuối<br />
cùng là CO2 và H2O [1], [2]. Một trong những<br />
giới hạn chính của quá trình xúc tác quang<br />
hoá là giá trị hiệu suất lượng tử tương đối<br />
thấp do sự tái hợp của các cặp e-/h+ trước khi<br />
chúng tham gia phản ứng oxi hóa-khử với cơ<br />
chất. Nhằm đạt được hiệu quả quang hóa cao,<br />
cần thiết phải hạn chế các quá trình tái hợp<br />
của các cặp e-/h+. Các yếu tố quan trọng ảnh<br />
hưởng đến hiệu suất lượng tử là kích thước<br />
*<br />
<br />
Tel: 0984 792522, Email: ngoclinhbm@gmail.com<br />
<br />
hạt, cấu trúc và mức độ tinh thể hóa của TiO2.<br />
Các thông số này thay đổi rõ rệt tùy thuộc vào<br />
phương pháp điều chế TiO2 [3].<br />
Trong các dạng tồn tại của TiO2, dạng anatas<br />
có hoạt tính xúc tác quang hoá là mạnh nhất<br />
[5]. Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra<br />
phương pháp tổng hợp TiO2 anatas với kích<br />
thước nano đồng thời khảo sát khả năng<br />
kháng khuẩn, kháng nấm của vật liệu thu<br />
được với nguồn chiếu sáng mặt trời tự nhiên.<br />
<br />
Hình 1: Sơ đồ cơ chế quang xúc tác của TiO2<br />
<br />
THỰC NGHIỆM<br />
Tổng hợp vật liệu TiO2 anatas<br />
Vật liệu nano TiO2 anatas được tổng hợp bằng<br />
phương pháp sol-gel từ tiền chất Titan<br />
tetraizopropoxit Ti(OC3H7i)4 (TTIP) (Đức).<br />
81<br />
<br />
Nguyễn Thị Ngọc Linh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Ngoài ra còn sử dụng axit axetic CH3COOH<br />
(Ax) (Trung Quốc) là tác nhân tạo phức,<br />
etanol C2H6O (EtOH) (Trung Quốc) là dung<br />
môi, nước là tác nhân thủy phân và axit<br />
clohydric HCl (Trung Quốc) được sử dụng<br />
làm xúc tác cho phản ứng tạo sol-gel. Quy<br />
trình tổng hợp sản phẩm được trình bày theo<br />
sơ đồ hình 2.<br />
Tỉ lệ số mol TTIP : Ax được sử dụng trong<br />
các mẫu là (1:1), (1:2), (1:3) và (1:4). Lượng<br />
nước dùng trong phản ứng có tỉ lệ số mol<br />
bằng 5 lần số mol của TTIP nhằm đảm bảo<br />
quá trình thủy phân xảy ra hoàn toàn.<br />
Trong quá trình điều chế, các dung dịch S1,<br />
S2 được khuấy trộn độc lập với nhau ở điều<br />
kiện nhiệt độ phòng trong 1 giờ. Dung dịch<br />
S2 được bổ sung từ từ (10ml/5phút) vào dung<br />
dịch S1. Sau đó khuấy từ hỗn hợp thu được<br />
với tốc độ 1500 vòng/phút ở 800C đến khi<br />
dung dịch đông tụ (sol-gel) thì dừng lại và để<br />
ngoài không khí 48 giờ. Thu sản phẩm, rửa<br />
sạch, sấy ở 1000C trong 10 giờ và nung ở<br />
5000C trong 3 giờ.<br />
TTIP + Ax + EtOH (Ký hiệu S1)<br />
HCl + H2O + EtOH<br />
(Ký hiệu S2)<br />
Khuấy từ 1500 vòng/phút, 800C<br />
Sol - gel<br />
Để ngoài không khí 48 giờ<br />
Rửa sạch, sấy ở 1000C, 10 giờ<br />
Nung 5000C, 3 giờ<br />
TiO2 anatas<br />
Hình 2: Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu TiO2<br />
anatas<br />
<br />
Khảo sát cấu trúc và khả năng kháng<br />
khuẩn, kháng nấm của vật liệu TiO2 anatas<br />
Độ sạch pha và cấu trúc tinh thể của các mẫu<br />
được kiểm tra bằng phương pháp XRD trên<br />
nhiễu xạ kế SIEMENS D5000 với bức xạ<br />
CuKα (λ = 1,5406 Ǻ). Hình dạng và kích<br />
82<br />
<br />
96(08): 81 - 84<br />
<br />
thước hạt của vật liệu đánh giá thông qua<br />
chụp ảnh SEM của mẫu trên kính hiển vi điện<br />
tử quét JSM-5300.<br />
Chúng tôi đã tiến hành khảo sát khả năng<br />
kháng khuẩn, kháng nấm của các mẫu vật liệu<br />
TiO2 anatas với hai chủng vi sinh vật kiểm<br />
định: vi khuẩn Bacillus subtilis và nấm mốc<br />
trắng được phân lập từ bánh mỳ bằng phương<br />
pháp khối thạch cải tiến [4], [6], [7].<br />
Cân 0,15g vật liệu pha loãng trong cốc thủy<br />
tinh 100ml chứa thạch nóng chảy (nồng độ<br />
2%) để tạo khối thạch. Đợi thạch đông dùng<br />
khoan nút chai khoan các khối thạch có<br />
đường kính 0,5 cm. Cấy gạt vi khuẩn Bacillus<br />
subtilis lên các đĩa petri chứa môi trường<br />
MPA và nấm mốc trắng lên các đĩa petri chứa<br />
môi trường Czapek. Chuyển các khối thạch<br />
cần thử hoạt tính đặt lên trên các đĩa petri đã<br />
cấy vi sinh vật kiểm định trên. Để các đĩa<br />
petri vào trong tủ lạnh từ 2 – 4 giờ, sau đó để<br />
ngoài không khí với nguồn chiếu sáng mặt<br />
trời tự nhiên. Sau 24 – 48 giờ đọc kết quả. Thí<br />
nghiệm được lặp lại 5 lần để lấy kết quả trung<br />
bình qua các lần thử.<br />
Hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm được<br />
xác định theo công thức D - d (mm), trong đó<br />
D là kích thước vòng vô khuẩn và d là đường<br />
kính khối thạch.<br />
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br />
Kết quả khảo sát một số đặc trưng cấu trúc<br />
của vật liệu TiO2 anatas<br />
Hình 3 là giản đồ XRD của các mẫu đo ở<br />
nhiệt độ phòng. Kết quả cho thấy, trên giản<br />
đồ XRD của các mẫu đều xuất hiện các đỉnh<br />
đặc trưng của TiO2 anatas ở các vị trí<br />
2θ =25,3o (mặt 101); 37,8o (mặt 004) và 48o<br />
(mặt 200) [8] với cường độ mạnh và sắc nét.<br />
Đánh giá kích thước hạt qua số liệu XRD cho<br />
thấy, kích thước hạt của vật liệu TiO2 anatas<br />
thu được tương đối nhỏ (bảng 1), trong đó<br />
mẫu có kích thước hạt nhỏ nhất là 9,4 nm ứng<br />
với tỉ lệ mol TTIP: Ax là 1:4.<br />
Hình 4 là kết quả chụp ảnh SEM của các mẫu<br />
TiO2. Kết quả cho thấy, các mẫu thu được đều<br />
có cấu trúc dạng hạt, các hạt có dạng cầu, kích<br />
thước nhỏ và tương đối đồng đều. Có vẻ như<br />
mẫu được tổng hợp với tỷ lệ mol TTIP : Ax<br />
bằng 1:4 (hình 4d) xốp hơn những mẫu còn lại.<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Nguyễn Thị Ngọc Linh và Đtg<br />
<br />
96(08): 81 - 84<br />
<br />
t<br />
Ti(OC3H7)4 + xCH3COOH <br />
→<br />
[Ti(OC3H7)4-x(OOCCH3)x] + xC3H7OH<br />
(x = 1 ÷ 4)<br />
Khi lượng Ax tăng sẽ thu được phức bền hơn,<br />
do đó quá trình thủy phân và ngưng tụ ở phức<br />
chất có lượng Ax tăng xảy ra chậm làm cho<br />
các hạt TiO2 thu được nhỏ, đồng đều, và có<br />
độ xốp cao hơn những mẫu có lượng Ax thấp.<br />
Do vậy, vật liệu được tổng hợp ứng với tỉ lệ<br />
mol TTIP:Ax bằng 1: 4 sẽ cho kích thước hạt<br />
nhỏ và xốp hơn những vật liệu còn lại, điều<br />
này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết.<br />
Kết quả khảo sát hoạt tính kháng khuẩn,<br />
kháng nấm của vật liệu TiO2 anatas<br />
<br />
Cường độ (đ.v.t.y)<br />
<br />
0<br />
<br />
d<br />
c<br />
b<br />
a<br />
25<br />
<br />
30<br />
<br />
35<br />
<br />
40<br />
<br />
45<br />
<br />
50<br />
<br />
Góc 2θ<br />
<br />
55<br />
<br />
60<br />
<br />
65<br />
<br />
70<br />
<br />
75<br />
<br />
Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật<br />
liệu TiO2 (a) 1:1, (b) 1:2, (c) 1:3, (d) 1:4<br />
Bảng 1. Kích thước hạt TiO2 (r) trong các mẫu<br />
Mẫu<br />
TTIP : Ax<br />
r (nm)<br />
<br />
1:1<br />
<br />
1:2<br />
<br />
1:3<br />
<br />
1:4<br />
<br />
10,8<br />
<br />
10,4<br />
<br />
10,1<br />
<br />
9,4<br />
<br />
Hình 5: Hình ảnh thử hoạt tính kháng vi khuẩn<br />
Bacillus subtilis của vật liệu TiO2 anatas (a) 1:1;<br />
(b) 1:2; (c) 1:3 và (d) 1:4<br />
<br />
Hình 4: Ảnh SEM các mẫu TiO2 anatas (a) 1:1; (b)<br />
1:2; (c) 1:3 và (d) 1:4<br />
<br />
Qua các kết quả phân tích trên đây cho thấy,<br />
lượng Ax ảnh hưởng rất rõ lên cấu trúc tinh<br />
thể của vật liệu TiO2. Điều này có thể được<br />
giải thích bởi tốc độ phản ứng thủy phân và<br />
ngưng tụ của phức tạo bởi TTIP và phối tử<br />
Ax. Phản ứng giữa TTIP và Ax với các tỉ lệ<br />
mol khác nhau có thể được biểu diễn như sau:<br />
<br />
Hình 6: Hình ảnh thử hoạt tính kháng nấm mốc<br />
trắng của vật liệu TiO2 anatas (a) 1:1; (b) 1:2;<br />
(c) 1:3 và (d) 1:4<br />
<br />
Bảng 2. Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của vật liệu TiO2 anatas<br />
Chủng vi sinh<br />
vật kiểm định<br />
<br />
Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của vật liệu TiO2 anatas (mm)<br />
1:1<br />
<br />
1:2<br />
<br />
1:3<br />
<br />
1:4<br />
<br />
Bacillus subtilis<br />
<br />
5,7<br />
<br />
6,3<br />
<br />
6,5<br />
<br />
7,1<br />
<br />
Nấm mốc trắng<br />
<br />
7,1<br />
<br />
7,5<br />
<br />
9,1<br />
<br />
9,3<br />
<br />
83<br />
<br />
Nguyễn Thị Ngọc Linh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Kết quả khảo sát khả năng kháng khuẩn,<br />
kháng nấm của vật liệu TiO2 anatas cho thấy:<br />
Các mẫu vật liệu đều có khả năng kháng<br />
khuẩn và nấm. Với cùng 1 loại vật liệu thì khả<br />
năng kháng nấm mốc trắng tốt hơn kháng vi<br />
khuẩn Bacillus subtilis.<br />
Trong các mẫu thử nghiệm, mẫu 1:4 có hoạt<br />
tính kháng khuẩn và kháng nấm là tốt nhất,<br />
được thể hiện ở kích thước vòng vô khuẩn là<br />
lớn nhất (7,1 mm với vi khuẩn Bacillus<br />
subtilis và 9,3 mm với nấm mốc trắng). Điều<br />
đó cũng cho thấy, mẫu 1:4 có chất lượng tinh<br />
thể tốt hơn những mẫu còn lại. Điều này có<br />
thể được giải thích là khi lượng Ax trong các<br />
mẫu tăng thì kích thước hạt thu được nhỏ và<br />
độ xốp của vật liệu tăng, sẽ làm tăng diện tích<br />
tiếp xúc của vật liệu với môi trường.<br />
KẾT LUẬN<br />
1. Chúng tôi đã tổng hợp thành công vật liệu<br />
TiO2 anatas từ Titan tetraizopropoxit (TTIP),<br />
axit axetic (Ax), etanol, nước và axit clohyđric<br />
với các tỉ lệ mol TTIP : Ax khác nhau bằng<br />
phương pháp sol-gel. Kết quả phân tích cho<br />
thấy, các hạt TiO2 anatas thu được có dạng<br />
hình cầu tương đối đồng đều, cấu trúc xốp và<br />
có kích thước trung bình khoảng 10 nm.<br />
2. Các vật liệu tổng hợp được đều có hoạt tính<br />
kháng khuẩn và nấm trong điều kiện sử dụng<br />
ánh sáng mặt trời tự nhiên. Trong các mẫu<br />
khảo sát thì khả năng kháng nấm mốc trắng<br />
của vật liệu tốt hơn kháng vi khuẩn Bacillus<br />
<br />
96(08): 81 - 84<br />
<br />
subtilis, mẫu chế tạo với tỉ lệ mol TTIP : Ax là<br />
1:4 có khả năng kháng khuẩn và nấm là tốt<br />
nhất. Điều này cũng cho thấy khả năng ứng<br />
dụng thực tế của vật liệu xúc tác quang TiO2<br />
anatas là rất cao.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Hoffmann M.R., Martin S.T., Choi W.,<br />
Bahnemann., Environmental applications of<br />
Semiconductor photocatalysis, Chem. Rev., 95,<br />
pp.69-96 (1995).<br />
[2]. Legrini O., Oliveros E., Braun A. M.,<br />
Photochemical processes for water treatment,<br />
Chem. Rev., 93, pp.671-698 (1993).<br />
[3]. Zhang Q., Gao L., Guo J., Effects of<br />
calcination on the photocatalytic properties of<br />
nanosized TiO2 powders prepared by TiCl4<br />
hydrolysic, Appl. Cat.B: Environ, 26, pp.207-215<br />
(2000).<br />
[4]. Nguyễn Thanh Hà (1991), Phương pháp kỹ<br />
thuật khoanh giấy kháng sinh khuếch tán. Kỹ thuật<br />
xét nghiệm vi sinh vật Y học. Nxb Y học, Hà Nội.<br />
[5]. Nguyễn Thị Huệ, H. Tao da (2000) “Phương<br />
pháp tạo màng quang xúc tác TiO2 trên silicagel,<br />
thủy tinh và ứng dụng trong phân hủy các hợp<br />
chất hữu cơ” Tuyển tập các báo cáo tại hội nghị<br />
phân tích hóa lý và sinh học trên toàn quốc lần 2.<br />
[6]. Nguyễn Xuân Thành, (2007), Thực tập vi sinh<br />
vật chuyên ngành, ĐH Nông nghiệp I Hà Nội.<br />
[7]. Trần Thanh Thủy, (1998), Hướng dẫn thực<br />
hành vi sinh vật học, Nxb Giáo dục, Hà Nội.<br />
[8]. JCPDS-International Center for Diffraction<br />
Data, PDF 21-1272.<br />
<br />
SUMMARY<br />
SYNTHESIS AND STUDY ON ANTIBACTERIAL, ANTI MOLD ACTIVITY OF<br />
PHOTOCATALYSIS MATERIAL TiO2 ANATAS<br />
Nguyen Thi Ngoc Linh*,<br />
Trinh Ngoc Hoang, Nguyen Thi Hong Hoa,<br />
College of Sciences – TNU<br />
<br />
TiO2 material was synthesized by sol-gel method with different mol TTIP proportions, (1:1), (1:2),<br />
(1:3) and (1:4). Material crystal structure characteristics and particle size were appraised by X-ray<br />
Diffraction (XRD) and Scanning electron microscope method (SEM). We also surveyed material<br />
antibacterial and anti mold activity with Bacillus subtilis and white mold by innovative agar streak<br />
method in natural sunlight condition. The result showed that material existed in anatas phase; it<br />
was seed, even ball shape, in spongy structure and had dimension in average 10 nanometres.<br />
Antibacterial and anti-mold activity of TiO2 anatas material showed obviously in natural sunlight<br />
condition. Anti white mold ability was better than anti Bacillus subtilis ability. In the same<br />
formative condition, the material with (TTIP : Ax) proportion by 1:4 expressed the best ability<br />
against bacterial and mold.<br />
Key words: material, nano TiO2, sol-gel method, antibacterial activity, photocatalysis<br />
*<br />
<br />
Tel: 0984 792522, Email: ngoclinhbm@gmail.com<br />
<br />
84<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
