Nghiên cứu quy trình đánh giá khả năng diệt vi khuẩn ecoli gây dịch tả của màng tio2 và tio2n

PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay, con người được sống trong một thế giới văn minh, hiện đại làm
cho mức sống của con người được nâng cao. Nhưng song song với sự phát triển đó
đã làm cho nguồn tài nguyên bị cạn kiệt và môi trường sống xung quanh bị ô nhiễm
nặng nề làm cho vi khuẩn trong môi trường ngày càng nhiều và tăng mạnh với số
lượng lớn. Điều này làm ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, phát sinh nhiều
bệnh tật hơn. Theo thống kê của tổ chức sức khỏe và môi trường thế giới cho biết
dịch bệnh tiêu chảy và dịch E. coli tràn lan ở khắp nơi làm hàng ngàn người nhiễm
bệnh, 22 người chết và thiệt hại hàng trăm triệu euro. Do đó việc diệt khuẩn làm
sạch môi trường sống của con người là việc cấp bách hiện nay.
Để góp phần vào giải quyết vấn đề này, thì quang xúc tác là một phương
pháp hữu hiệu vừa hiệu quả vừa giá thành thấp và thân thiện với môi trường. Các
nhà khoa học và một số nhà sản xuất đã bắt đầu ứng dụng vật liệu quang xúc tác
vào sản phẩm của họ. Hai ứng dụng quan trọng của vật liệu quang xúc tác đối với
TiO2 là tự làm sạch bề mặt và diệt khuẩn. Khả năng tự làm sạch bề mặt
[10,12,13,17,18] là khả năng giữ bề mặt không bị nhiễm bẩn, nhiễm bụi thông qua
các quá trình tự nhiên và chúng được ứng dụng trong kính xây dựng, kính xe hơi,
các loại gạch men và sứ vệ sinh. Khả năng diệt khuẩn được ứng dụng nhiều trong
công nghiệp thực phẩm, trong y tế và các sản phẩm gốm sứ vệ sinh. Các vi khuẩn
với thành phần cơ bản là chất hữu cơ khi ở trên bề mặt màng sẽ bị phân hủy quang
xúc tác thành CO2, nước và các anion vô hại khi được chiếu ánh sáng thích hợp.
Q trình phân hủy diễn ra từ ngồi vào trong: đầu tiên, màng tế bào của vi khuẩn
sẽ bị phân hủy trước; sau đó đến lượt tế bào chất – việc phân hủy tế bào chất sẽ giết
chết vi khuẩn.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp đánh giá khả năng diệt khuẩn của vật liệu
quang xúc tác nhưng hầu hết chủ yếu quy trình đánh giá diệt khuẩn cho dạng vật
liệu bột [22,24,25]. Quy trình để đánh giá cho dạng vật liệu màng hầu như chỉ sử
dụng phương pháp đếm khuẩn lạc [23] và phương pháp quan sát dưới kính hiển vi
SEM [11,20], TEM [21]. Trong khi đó, tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên
TPHCM, đối tượng màng quang xúc tác đã được nghiên cứu và phát triển từ năm

Trang 1


2006, màng này còn được biết đến với khả năng diệt khuẩn Ecoli rất tốt trên bề mặt
vật liệu. Vì vậy, việc nghiên cứu và đề xuất một quy trình đánh giá khả năng diệt
khuẩn của màng về mặt định tính và định lượng là hết sức cần thiết và mang ý nghĩa
ứng dụng cho vật liệu này trong tương lai gần. Do đó, mục tiêu của cơng trình này
là:
-

Tìm hiểu các phương pháp định lượng vi khuẩn E. coli. Từ đó đề nghị

phương pháp thích hợp áp dụng cho vật liệu màng đồng thời phù hợp với điều kiện
cơ sở vật chất của phịng thí nghiệm tại trường.
-

Xây dựng quy trình định lượng khuẩn lạc (đây là phương pháp khá thơng

dụng thuộc lĩnh vực vi sinh, có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng thời gian cho kết
quả dài từ 16 đến 24giờ, nhiều công đoạn phức tạp, chi li và tốn kém) ứng dụng
đánh giá khả năng diệt khuẩn cho vật liệu dạng màng đồng thời xây dựng một
phương pháp định tính để có thể đánh giá nhanh thơng qua quan sát trực tiếp dưới
kính hiển vi kỹ thuật số có kết nối với máy tính (phương pháp định tính này cho
phép người làm thực nghiệm xác định kết quả nhanh, phân tích được nhiều mẫu,
nhanh chóng đưa ra kết luận các mẫu tối ưu trước khi tiến hành định lượng khả
năng diệt khuẩn của vật liệu). Từ các mẫu tối ưu này, người làm thực nghiệm vẫn
phải sử dụng phương pháp định lượng để định lượng vi khuẩn cịn sống sót sau khi
xử lý quang xúc tác dưới ánh sáng UVA.
Dựa trên các cơng trình nghiên cứu thành công về màng quang xúc tác TiO2
trên đế thủy tinh [1]. Cơng trình này thực hiện các nội dung cụ thể:

-

Xây dựng quy trình đánh giá khả năng diệt khuẩn E. coli cho vật liệu màng

TiO2 bằng hai phương pháp: quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi và đếm khuẩn lạc.
-

Chế tạo và khảo sát tính chất quang, cấu trúc màng TiO2 trên đế thủy tinh

theo các điều kiện của chế tạo của cơng trình [1] và đánh giá khả năng diệt khuẩn
của màng trên đế thủy tinh dưới ánh sáng UVA.
-

Chế tạo và khảo sát cấu trúc và bề mặt của màng TiO2 trên đế gốm và đánh

giá khả năng diệt khuẩn của màng trên đế gốm dưới ánh sáng UVA.

Trang 2


-

Chế tạo và khảo sát tính chất quang, cấu trúc màng TiO2:N trên đế thủy tinh

theo các điều kiện của chế tạo của cơng trình [1] và đánh giá khả năng diệt khuẩn
của màng trên đế thủy tinh dưới ánh sáng khả kiến.
-

Từ các kết quả trên, cơng trình đưa ra các định hướng có giá trị về mặt ứng

dụng khả năng diệt khuẩn của màng TiO2 và TiO2:N.
Trong khuôn khổ tài chính là 32 triệu được cấp từ kinh phí của Đại học Quốc
gia TPHCM, cơng trình này đã đạt được các sản phẩm khoa học cụ thể: 1) Xây
dựng hệ kính hiển vi có chức năng tương tự kính hiển vi kỹ thuật số bằng kính hiển
vi thơng thường kết hợp với camera đặt trên thị kính và quan sát, ghi hình bằng máy
tính kết nối, 2) Xây dựng phương pháp đếm khuẩn lạc với các công đoạn được hiệu
chỉnh để phù hợp cho đánh giá vật liệu màng, 3) Hướng dẫn thành công luận văn
thạc sỹ với điểm bảo vệ 9.4 cho học viên cao học Nguyễn Quang Khải, 4) Quy trình
này được sử dụng rộng rãi trong bộ môn để đánh giá khả năng diệt khuẩn của màng
quang xúc tác.

Trang 3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2,
PHƯƠNG PHÁP TẠO MÀNG VÀ XÁC ĐỊNH TÍNH
CHẤT CỦA MÀNG.
Vật liệu TiO2 là loại vật liệu vơ cơ ưa nước, có giá thành thấp; được dùng
trong các ứng dụng công nghệ và thương mại như bột màu trong công nghiệp sơn,
mỹ phẩm chống ăn nắng, kính chống mờ và tự làm sạch, chất làm sạch nước, khơng
khí. Hơn 4 triệu tấn bột sơn trắng được sử dụng bởi công nghiệp sơn trên thế giới vì
nó có độ sáng, hệ số khúc xạ (chiết suất) cao và giá thành thấp.
1.1. Vật liệu quang xúc tác TiO2.
1.1.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2
TiO2 tồn tại ở dạng vơ định hình và ba dạng tinh thể khác nhau. Cấu trúc tinh
thể hệ tứ phương gồm có rutile và anatase, hệ trực giao là brookite.
Đối với cấu trúc tinh thể hệ tứ phương, sáu nguyên tử oxy bao quanh một nguyên tử
Ti tạo nên một bát diện (hình 1.1). Dạng pha rutile bền nhất so với các dạng cịn lại
do rutile có pha tinh thể chặt hơn anatase và brookite. Dạng pha anatase có thể biến
đổi thuận nghịch thành pha rutile. Hai dạng thù hình này khác nhau ở hằng số mạng

tinh thể. Dạng brookite được tạo thành dưới điều kiện thủy nhiệt đặc biệt, hoặc có
mặt một lượng Natri nhất định. Cấu trúc này có thể tạo nên bằng phương pháp
solgel trên đế thủy tinh kiềm.

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể rutile (a), anatase (b) và brookite (c) của TiO2.

Trang 4


Các tính chất quang học khác nhau của ba pha tinh thể được đặc trưng bởi độ
truyền qua T, hệ số hấp thụ

và năng lượng vùng cấm Eg. Dựa vào phương pháp

chế tạo và các thông số tạo màng, sự pha tạp hay xử lý nhiệt sau khi tạo màng, tỉ lệ
các pha có thể thay đổi, dẫn đến sự thay đổi tính chất quang và điện của màng mỏng
TiO2.
Cả 2 cấu trúc tinh thể anatase và rutile đều được sử dụng làm chất quang xúc
tác, quang hóa nhưng anatase có tính quang xúc tác hơn hẳn trong hầu hết các phản
ứng. Có những giả thiết cho là hoạt động quang xúc tác của anatase cao hơn là do
mức Fermi của anatase cao hơn, khả năng hấp thụ oxy cao hơn và bậc hydroxyl cao
hơn.
Bảng 1.1. Thông số cấu trúc của các pha của màng TiO2.

Tỷ số c/a trong anatase lớn hơn trong rutile, anatase là 2,51, rutile là 0,64. Ở
áp suất thấp, hàm lượng khí oxy ít, hình thành nên sự thiếu hụt oxy trong màng làm
tỷ số c/a giảm dẫn đến pha tinh thể rutile hình thành. Khi lấy đi một ion O- từ mạng
TiO2, thì hai điện tử tự do chiếm quỹ đạo Ti 3d để hình thành nên nhiều trạng thái
định xứ ở những mức năng lượng trên vùng dẫn.
Cấu trúc tinh thể của TiO2 được trình bày trong hình (1.1). Các nguyên tử Ti

trong cấu trúc pha anatase tạo thành mạng tứ phương thể tâm với các thông số mạng
a = b = 3,784 Ao và c = 9,515 Ao. Mật độ hạt

 3,895 g/cm3. Số nguyên tử Ti là

bốn và số nguyên tử O là tám. Các nguyên tử Ti trong cấu trúc pha rutile tạo thành
mạng tứ phương thể tâm hình với các thông số mạng a= b = 4,593 Ao và c = 2,959
Ao. Mật độ hạt

= 4,274 g/cm3. Số nguyên tử Ti là hai và số nguyên tử O là bốn.

1.1.2. Cơ chế quang xúc tác.
Tính chất quang xúc tác của TiO2 phụ thuộc vào hình thái, cấu trúc tinh thể,
kích thước hạt, diện tích hiệu dụng bề mặt, cường độ ánh sáng tới, hệ số hấp thụ ánh
Trang 5


sáng của TiO2. Hoạt tính quang xúc tác phụ thuộc mạnh vào thế năng oxy hóa khử
bề mặt, thời gian sống và độ linh động của cặp điện tử lỗ trống quang sinh (được
sinh ra sau quá trình chiếu sáng).
Quá trình quang xúc tác có thể được giải thích như sau: (hình 1.2)

Hình 1.2. Quá trình phản ứng quang xúc tác của TiO2.
Khi một photon với năng lượng bằng hoặc lớn hơn độ rộng vùng cấm Eg của
TiO2 đi vào màng TiO2, một electron từ vùng dẫn hấp thụ năng lượng photon đó sẽ

đi lên vùng dẫn ( eCB
) và tạo ra lỗ trống ( hVB ). Số cặp điện tử và lỗ trống sinh ra phụ

thuộc vào năng lượng và cường độ ánh sáng chiếu tới. Ánh sáng làm hoạt tính

quang xúc tác của TiO2 hoạt động nằm trong vùng UV gần (385-400 nm). Tuy
nhiên, phần ánh sáng này chỉ khoảng 5-8% ánh sáng mặt trời. Vì thế, các nghiên
cứu gần đây tập trung vào việc giảm độ lớn năng lượng kích thích (giảm Eg) nhằm
để tận dụng phần ánh sáng khả kiến tạo ra hiệu suất quang xúc tác cao nhất.



TiO  h  e  h
2

(1.1)

Các chất có khả năng làm chất quang xúc tác phải thỏa mãn điều kiện: thế
năng cực tiểu của các điện tử vùng dẫn của chất đó phải âm hơn thế khử của gốc
superoxyt (-0.28eV) và thế năng cực đại của lỗ trống phải dương hơn thế thế oxy
hóa của gốc hydroxyl (2.27eV).
Trang 6


Các cặp điện tử lỗ trống sinh ra một phần bị tái hợp, một phần khuếch tán ra
bề mặt phản ứng với các chất hấp phụ trên bề mặt TiO2.
Ví dụ chất hấp thụ trên bề mặt TiO2 là nước và oxy. Các điện tử và lỗ trống
sinh ra khuếch tán ra bề mặt. Thế khử của điện tử ở vùng dẫn của TiO2 là –0.52V,


âm hơn thế khử của gốc superoxyt ( O2 ) là –0,28V nên điện tử có thể khử O2 để tạo


gốc superoxyt ( O2 ). Thế oxy hóa của lỗ trống ở vùng hóa trị của TiO2 là +2.53V,
dương hơn thế oxy hóa của gốc hydroxyl (  OH ) là +2.27V nên lỗ trống có thể oxy

hóa H2O để tạo gốc hydroxyl (  OH ).
O

2( ads )



e
O
CB
2

(1.2)


 
H O
h
 H  OH
2 ( ads )
VB

Các gốc hydroxyl và superoxyt này có khả năng oxy hóa khử cao hơn hẳn
các chất khác được dùng để khử trùng nước như: ozone (2,07 eV), H2O2 (1,78 eV),
HOCl (1,49 eV), chlorine (1,36 eV) và chỉ kém flourine. Nhờ có khả năng oxy hóa
khử cao nên các gốc tự do này có thể phân hủy các chất hữu cơ bám trên bề mặt
chất quang xúc tác. Nhờ đó mà TiO2 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
như: kính chống mờ, bám sương, bụi bẩn; xử lý chất thải làm sạch mơi trường nước
và khơng khí; diệt khuẩn (vì chúng được cấu tạo từ các chất hữu cơ).
1.1.3. Cấu trúc của tinh thể TiO2 khi pha tạp nitơ và tính chất quang xúc

tác của nó trong vùng ánh sáng khả kiến.
1.1.3.a. Cấu trúc tinh thể TiO2 khi pha tạp Nitrogen (N) [26,27].
Khi tinh thể TiO2 được pha tạp N, một số nguyên tử O bị thay thế bởi
nguyên tử N, (ta có cấu trúc TiO2-xNx, được gọi là pha tạp thay thế), một số nguyên
tử N nằm xen kẽ giữa vị trí các nút mạng trong tinh thể (được gọi là pha tạp xen
kẽ) hoặc một vài trạng thái khuyết O được hình thành (hình 1.3.2). Lúc đó, mạng
tinh thể TiO2 sẽ bị giãn nỡ thể tích, do hai nguyên nhân: (1) Có sự khác nhau về bán
o

kính ion của các ngun tử: ion O2- có bán kính ngun tử cỡ 1.32 A , ion N3- có bán
o

kính nguyên tử cỡ 1.71 A ; (2) Thay đổi chiều dài liên kết, liên kết Ti – N có chiều
o

o

o

o

dài từ 1.964 A – 2.081 A và liên kết Ti – O có chiều dài từ 1.942 A – 2.002 A .
Trang 7


(2)

(1)

Hình 1.3. (1) Cấu trúc tinh thể anatase TiO2; (2) Cấu trúc tinh thể TiO2 được pha tạp N

Tuy nhiên, khi pha tạp thay thế N thì sự biến thiên về cấu trúc trong pha
anatase TiO2 không rõ ràng. Do sự chênh lệch nhỏ của kích thước chiều dài liên kết
giữa Ti – N và Ti – O nên mạng tinh thể hầu như ít bị biến dạng.
Trong hầu hết các cơng trình nghiên cứu, pha tạp thay thế N được xem là
quan trọng vì nó làm tăng khả năng quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Ta
có thể quan sát cấu hình điện tử của các nguyên tử và ion để hiểu được quá trình
pha tạp N thay thế O trong tinh thể TiO2:
Ti:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2

Ti4+: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d0 4s0

O:

1s2 2s2 2p4

O2- : 1s2 2s2 2p6

N : 1s2 2s2 2p3

Như vậy, trong Ti4+, trạng thái 3d (tương ứng với vùng dẫn, trống điện tử)
chồng chập lên trạng thái 4s. Trong khi đó, đối với O2-, trạng thái 2p nằm ở vùng
hóa trị chứa đầy điện tử. Vì vậy, TiO2 có vùng dẫn ứng với năng lượng của trạng
thái Ti 3d và vùng hóa trị ứng với năng lượng của trạng thái O 2p. Vì năng lượng
của trạng thái N 2p lớn hơn năng lượng của trạng thái O 2p, nên khi N thay thế cho
O trong cấu trúc TiO2 thì năng lượng của vùng hóa trị trong cấu trúc TiO2:N sẽ âm
hơn so với năng lượng của vùng hóa trị trong cấu trúc TiO2. Kết quả là giá trị Eg
giảm (hình 1.4).

Trang 8


Orbital liên kết
trong TiO2

Orbital liên kết
trong TiO2-xNx
Vùng dẫn
Ti3d + O2p + N2p

Ti3d + O2p

Ti3d

Ti 3d
Eg = 3.2 eV

Eg = 2.5 eV
O 2p

N2p
O2p

N2p + O2p + Ti3d
O2p + Ti3d

Vùng hóa trị

Hình 1.4. Giản đồ của quá trình pha tạp thay thế N vào TiO2

Theo [27], cơ chế pha tạp xen kẽ dễ thành lập hơn cơ chế pha tạp thay thế do
năng lượng để N xen kẽ vào mạng nhỏ hơn năng lượng để N thay thế cho O trong
tinh thể. Pha tạp thay thế O sẽ hình thành mức năng lượng tạp nằm trên đỉnh vùng
hóa trị (vị trí tương tự như mức acceptor) do sự trộn lẫn của trạng thái N 2p với
trạng thái O 2p. Sự pha tạp xen kẽ sẽ hình thành mức năng lượng tạp cách ly nằm
giữa vùng cấm. Trong khi đó, TiO2 chứa trạng thái khuyết O sẽ hình thành mức tạp
chất donor nằm dưới vùng dẫn (vùng được hình thành từ trạng thái Ti 3d). Như vậy,
ngoại trừ trạng thái khuyết O, khi N được pha tạp vào tinh thể TiO2 đều làm giảm
độ rộng vùng cấm quang từ 0.03eV – 0.23eV và khi đó bờ hấp thụ của màng
TiO2:N sẽ dịch về vùng ánh sáng khả kiến, đặc biệt là đối với trường hợp pha tạp
xen kẽ. Cơ chế pha tạp xen kẽ dễ thực hiện và có khả năng làm hẹp độ rộng vùng
cấm quang do tạo mức acceptor nằm sâu trong vùng cấm. Tuy nhiên, chỉ có pha tạp
thay thế và sự có mặt của trạng thái khuyết O mới có thể làm tăng khả năng quang
xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Bởi vì, trong điều kiện này, cho phép hình
thành cả hai mức acceptor và donor trong vùng cấm (ở gần đỉnh vùng hóa trị và đáy
vùng dẫn). Ngoài ra, nồng độ pha tạp N cũng ảnh hưởng lên tính năng quang xúc
tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Việc xác định nồng độ tối ưu để đạt được tính
năng quang xúc tác tốt trong vùng ánh sáng này là mục tiêu nghiên cứu của hầu hết
các cơng trình nói chung, và của luận án này nói riêng.
Trang 9


1.1.3.b. Tính chất quang xúc tác của TiO2:N trong vùng ánh sáng khả kiến.
Phản ứng quang xúc
tác trong vùng ánh sáng khả

Vùng dẫn

kiến của vật liệu TiO2:N diễn
ra tương tự như vật liệu quang
xúc tác TiO2 trong vùng ánh
sáng UV. Dưới tác dụng của
ánh sáng khả kiến, các điện tử
từ vùng hóa trị (hình 1.5)
chuyển lên vùng dẫn thành

Vùng hóa trị

Hình 1.5. Quang xúc tác của vật liệu TiO2:N

các điện tử tự do, để lại các lỗ
trống ở vùng hóa trị. Lỗ trống sẽ ơxy hóa H2O để tạo gốc hydroxyl OH và điện tử
sẽ khử O2 để tạo gốc superoxyt  O 2 .
1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng quang xúc tác.
Tính chất quang xúc tác của TiO2 phụ thuộc vào hình thái, cấu trúc tinh thể,
độ tinh thể, kích thước hạt, độ xốp, diện tích hiệu dụng bề mặt, đối với màng cịn có
độ dày màng, độ gồ ghề, độ truyền qua. Hoạt tính quang xúc tác phụ thuộc mạnh
vào thế năng oxy hóa khử bề mặt, thời gian sống và độ linh động của cặp điện tử lỗ
trống (được sinh ra sau quá trình chiếu sáng). Mặc dù có nhiều yếu tố ảnh hưởng
đến tính năng quang xúc tác của TiO2 nhưng diện tích hiệu dụng bề mặt và độ kết
tinh của tinh thể là 2 yếu tố quyết định chủ yếu đến tính năng quang xúc tác.
1.1.4.a. Diện tích hiệu dụng bề mặt.
Bề mặt được xem là hiệu dụng nhất khi màng có khả năng hấp thụ nhiều
lượng hữu cơ cần xử lý. Thông thường bề mặt càng hiệu dụng khi màng càng xốp
hoặc độ gồ ghề bề mặt càng lớn. Khi kích thước hạt càng nhỏ, biên hạt càng nhiều
và mật độ xếp chặt nhỏ thì tính xốp càng cao.
1.1.4.b. Độ kết tinh của tinh thể.
Khi màng TiO2 có độ kết tinh càng cao thì sự tái hợp của điện tử-lỗ trống

càng nhỏ, do đó mật độ của chúng càng nhiều và tính năng quang xúc tác càng
mạnh.
Trang 10


Tuy nhiên, khi độ kết tinh của màng càng cao thì độ xốp của màng lại càng
giảm và có thể dẫn đến làm giảm diện tích hiệu dụng bề mặt. Ngoài ra, nếu độ kết
tinh vừa đủ lớn, độ giảm xốp không đáng kể mà độ gồ ghề bề mặt của màng vẫn đủ
cao thì vẫn có thể làm tăng diện tích hiệu dụng bề mặt. Vì vậy, để có tính năng
quang xúc tác tối ưu cần lựa chọn điều kiện chế tạo màng thích hợp sao cho vừa có
độ kết tinh cao (giảm tái hợp của điện tử – lỗ trống) đồng thời diện tích hiệu dụng
bề mặt lớn (tăng khả năng hấp thụ chất cần xử lý).
1.1.4.c. Cường độ chiếu sáng.
Hiệu ứng quang xúc tác trên bề mặt màng TiO2 khơng phụ thuộc vào cường
độ ánh sáng kích thích mà chỉ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng kích thích hay
năng lượng photon. Như vậy, những chùm ánh sáng kích thích có cường độ chiếu
sáng yếu nhưng năng lượng photon đủ lớn (năng lượng lớn hơn năng lượng vùng
cấm của TiO2) đều có khả năng gây ra hiệu ứng quang xúc tác. Điều này có nghĩa
là, ánh sáng đèn huỳnh quang trong phịng ở (có chứa khoảng 4% bức xạ UV) cũng
có thể gây ra được hiệu ứng quang xúc tác. Tuy nhiên, khi cường độ ánh sáng tới
(thõa điều kiện xảy ra hiệu ứng quang xúc tác) cao cũng sẽ làm tăng hiệu quả quang
xúc tác của vật liệu TiO2.
1.2. Ứng dụng của màng quang xúc tác TiO2.
Do diện tích hiệu dụng bề mặt của màng nhỏ hơn dạng bột nên hiệu suất
quang xúc tác của dạng bột cao hơn dạng màng. Mặc dù vậy, cho đến ngày nay, các
ứng dụng của màng vẫn chiếm số lượng nhiều hơn. Lý do chính là sự phân tách
chất xúc tác sau quá trình quang xúc tác đối với dạng bột rất phức tạp và công phu,
mà đối với màng thì các thao tác đó được loại bỏ [12].
Màng TiO2 đươc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kính chống mờ
sương, kính tự làm sạch, pin mặt trời màng mỏng, linh kiện làm sạch nước và

khơng khí, công nghiệp làm bột sơn, và phủ trên gốm, plastic, vải, kim loại và giấy
cũng có tính năng tương tự và tính năng diệt khuẩn.
 Một số vật liệu cơng nghiệp ứng dụng phủ màng quang xúc tác: Kính
xây dựng, gốm, sứ, gạch men.

Trang 11


Lĩnh vực ứng dụng của màng quang xúc tác TiO2 là rất lớn, màng quang xúc
tác TiO2 có khả năng tự làm sạch, chống mờ và khả năng diệt khuẩn được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Hiện tượng siêu dính ướt được ứng dụng chống mờ và tự làm sạch trên các
tấm kính được phủ TiO2. Hiện tượng này được ứng dụng nhiều đối với các loại kính
cho xe ơtơ hay kính cho các tịa nhà cao ốc khó chùi rửa. Khi các tấm bị bám bẩn
bởi các hạt bụi nhỏ, các vết dầu mỡ do sự ô nhiễm mơi trường. Dưới tác dụng của
ánh sáng tử ngoại kích thích phản ứng quang hố trong lớp TiO2. Do đó, khi nước
rơi trên mặt kính tạo ra hiệu ứng thấm nước, nước trải đều ra bề mặt tạo thành một
màng mỏng, màng mỏng nước này khơng những chống mờ kính mà cịn cuốn theo
chất bẩn đi xuống (hình 1.6). Các loại kính này khơng những có thể ngăn cản tia
UV có hại mà cịn có thể phân hủy từ từ các chất bẩn hữu cơ và cản chúng bám trên
bề mặt. Các chất bẩn hữu cơ này sẽ bị rửa trơi khi trời mưa hay khi chúng ta phun
nước.

Hình 1.6. Khả năng tự làm sạch và chống mờ của màng quang xúc tác TiO2.
Khả năng chống khuẩn được ứng dụng phủ lên các vật dụng thông thường
như chén đĩa, những bệ sứ…với chi phí rẻ và hiệu quả cao. Ngồi ra, màng quang
xúc tác cũng được phủ trên một số cơng trình cơng cộng như bảng hiệu các trụ đèn
để bảo quản chống hen ố màu sắc và bụi bẩn.

Trang 12

Hình 1.7. Sau 3 năm, PVC được phủ màng quang xúc tác TiO2 (bên trái) cho
thấy có khả năng chống lại thời tiết và giữ lại được màu sắc và độ sáng của
vật liệu, PVC không được phủ màng quang xúc tác TiO2 (bên trái) bị ố
màu.[12]
1.3. Phương pháp chế tạo màng quang xúc tác TiO2.
Máy phún xạ magnetron DC (hình 1.8) có 3 bộ phận chính là buồng chân
khơng, bơm sơ cấp, bơm khuếch tán.
Cấu tạo hệ magnetron DC và nguyên lý hoạt động :
Vỏ ngoài làm bằng inox được nối đất có chức năng làm giá đỡ và làm cực
dương. Kích thước vỏ 90×90×50mm.
Vỏ trong làm bằng inox được nối với cực âm có chức năng định vị nam châm
và dùng làm cực dương. Kích thước vỏ 81×81×41mm. Vỏ trong và vỏ ngoài được
cách điện với nhau bằng nhựa cách điện để đảm bảo khơng bị phóng điện từ vỏ
trong ra vỏ ngồi trong q trình áp điện thế âm DC vào vỏ trong.
Áo nước làm lạnh bia được chế tạo bằng ống đồng, dày 3mm, đường kính
15mm. Ống đồng được uốn gấp khúc theo hình chữ nhật và được hàn tiếp xúc vào
tấm đồng dày 3mm. Trong q trình phún xạ, ta ln bảo đảm nước ngập trong ống
đồng, nâng cao khả năng giải nhiệt cho bia.
Từ trường được tạo bằng loại nam châm vĩnh cửu Ferit. Hệ nam châm được
xếp liền nhau tạo thành một khung hình vng với một nam châm đối cực được đặt
Trang 13


ở giữa. Vì là hệ magnetron khơng cân bằng, nam châm ở giữa có cường độ và kích
thước nhỏ hơn nhiều so với các nam châm phía ngồi. Khoảng cách giữa nam châm
chính giữa và nam châm ngồi là 2.25cm.

Hình 1.8. Hệ máy phún xạ magnetron tại phịng

thí nghiệm vật lý chân khơng –ĐH KHTN.

Hệ magnetron (hình 1.9) là hệ cải tiến trong kỹ thuật phún xạ một chiều DC.
Trong đó, một tổ hợp nam châm được gắn thêm vào hệ để tạo bẫy từ trên bề mặt
cathode nhằm giữ các điện tử chuyển động theo quỹ đạo cycloid. Nhờ vậy, sẽ làm
tăng đáng kể chiều dài quãng đường chuyển động của điện tử nhằm tăng cường khả
năng ion chất khí. Bia được đặt sát hệ thống nam châm, và cần được giải nhiệt liên
tục trong quá trình làm việc. Cả hệ nam châm và bia được cách điện với lớp áo bao
bọc bên ngoài chúng. Lớp áo này được làm bằng kim loại và được nối đất. Khoảng
Trang 14


cách từ lớp áo đến hệ thống nam châm – bia cũng được thiết kế thích hợp để ngăn
ngừa sự phóng điện giữa chúng cũng như giữa bia (cathode) với thành buồng chân
khơng. Trong phún xạ dùng dịng một chiều (DC), bia đóng vai trị là cathode và
lớp áo kim loại bọc bên ngoài được nối đất. Đế được đặt ngang trên anode, cách
điện với hệ thống nam châm - bia và đối diện với bề mặt bia. Một hiệu thế dịch
được áp vào giữa đế (anode) với bia (cathode).

Hình 1.9. Hệ phún xạ magnetron.

Hình 1.10. Hệ magetron trong buồng chân không.

Trang 15


* Nguyên lý hoạt động:

 


Khi điện thế được đặt vào hệ magnetron, điện trường E (với E  B) giữa
cathode (bia) và anode (đế) làm định hướng và truyền năng lượng cho các hạt mang
điện có trong hệ. Thơng thường, trong một thể tích khí ở điều kiện thường ln
chứa một số điện tử và ion (1cm3 khí quyển trên mặt biển trung bình có gần 103 ion
âm được tạo nên bởi tia vũ trụ, tia tử ngoại và phóng xạ của mơi trường xung
quanh). Những ion này đập vào cathode và giải phóng các điện tử thứ cấp. Đến lượt

mình, các điện tử này được gia tốc trong điện trường E và chuyển động theo từ

trường ngang B. Kết quả là chúng chuyển động theo quỹ đạo cycloid dọc theo vùng
ăn mòn trên bia. Nhờ vậy, chiều dài quãng đường đi của electron được tăng lên
nhiều lần trước khi đến anode. Khi số điện tử được sinh ra (do chạm và phát xạ thứ
cấp) bằng với số điện tử mất đi (do quá trình tái hợp) thì lúc đó phóng điện tự duy
trì. Lúc này, khí phát sáng trên bề mặt bia, thế phóng điện giảm và dịng tăng
nhanh.Những điện tử năng lượng cao sinh ra nhiều ion và những ion năng lượng
cao đập vào cathode làm phún xạ vật liệu bia và đồng thời làm phát xạ các điện tử
thứ cấp để tiếp tục duy trì phóng điện.
1.4. Các phương pháp xác định tính chất của màng.
1.4.1. Xác định độ truyền qua của màng (uv/vis spectrophotometer).
Khảo sát độ truyền qua của màng bằng thiết bị đo V – 530 UV/VIS
SPECTROPHOTOMETER (hãng Jasco, Nhật) của trường ĐH Khoa học Tự nhiên,
ĐH Quốc gia TPHCM. Thiết bị sử dụng nguồn sáng đèn deuterium phát ánh sáng
có bước sóng trong vùng 190nm - 350nm và đèn halogen trong vùng 330nm 1100nm. Với thiết bị này có thể đo độ truyền qua của màng trong một dãy rộng các
bước sóng từ 190nm đến 1100 nm với bước nhảy 2 nm. Có ba mode đo là Abs (hấp
thụ), %T (truyền qua) và %R (phản xạ) với sai số 0.3%. Các phép đo trong luận án
này, sử dụng mode %T. Chùm sáng truyền qua mẫu được thu bởi detector (S1337
photodiode Si) và được xử lý nhờ phần mềm của máy. Đồng thời đường cong phổ
truyền qua UV – vis cũng được xuất hiện trên màn hình (hình 1.11).

Trang 16

Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ đo truyền qua.
Hệ số hấp thu  có thể được tính theo phương trình sau:
1
Ln  
T
  
d

(1.11)

Trong đó, T là độ truyền qua và d là bề dày màng.
Đối với bán dẫn chuyển mức thẳng thì độ rộng vùng cấm quang phụ thuộc
vào hệ số hấp thu theo phương trình:

 h 

2

 A  h  E g 

(1.12)

Trong đó A, Eg, h lần lượt là hằng số, độ rộng vùng cấm quang và năng
lượng photon tương ứng. Giá trị Eg được xác định bằng cách vẽ đường cong (h)2
theo năng lượng photon h và ngoại suy tuyến tính từ đường cong theo trục h.
Độ truyền qua phụ thuộc vào bề dày và hệ số hấp thu màng có thể được tính theo
công thức:
T  (1  R ) 2 exp(  d )

(1.13)

Trong đó: T là độ truyền qua  là hệ số hấp thu.
R là độ phản xạ d là độ dày màng.
Trong đề tài này chúng tôi sử dụng hệ UV-Vis tại phòng vật lý quang phổ
của trường đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM để xác định độ truyền qua (hình
1.12).

Trang 17


Hình 1.12. Hệ đo UV-Vis tại phịng vật lý quang phổ.
1.4.2. Hệ đo nhiễu xạ DIFFRAKTOMETER D500.
Các đặc trưng cấu trúc tinh thể của màng như sự định hướng của các mặt
tinh thể, ứng suất và kích thước hạt được khảo sát bằng thiết bị đo nhiễu xạ tia X
DIFFRAKTOMETER D500 (hãng Siemens Kristalloflex Diffraktometer) của cơng
ty dầu khí Petrolimex tại Tp Hồ Chí Minh.

Hình 1.13. Ngun tắc đo phổ XRD dựa trên cơ sở định luật Bragg.
Đối với màng đa tinh thể, do các hạt sắp xếp hỗn độn nên bao giờ cũng có
những hạt ngẫu nhiên nằm theo hướng sao cho mặt mạng của chúng hợp với tia X
một góc  thỏa định luật Bragg:
hay d 

m
2 sin 

(1.14)

Trang 18


2d sin  m  sin  

m
2d

(1.15)

với m: bậc nhiễu xạ (số nguyên); : góc nhiễu xạ; d: khoảng cách giữa
hai mặt mạng; : bước sóng tia X.
Độ định hướng ưu tiên được đo bằng cách dùng tia X đơn sắc và góc 2 theo
phương pháp quét Bragg-Brentano. Ở phương pháp này góc  được quét bằng cách
quay mẫu quanh trục y (mặt phẳng mẫu là mặt phẳng xy) cịn đầu thu tia X được
quay với góc 2.
Như vậy, nếu các nguyên tử sắp xếp tuần hoàn theo phương vng góc với
mặt phẳng màng mỏng thì khi thỏa định luật Bragg, sẽ xuất hiện đỉnh phổ ứng với
các giá trị 2 của tia X chiếu đến (hình 1.13). Khi đó có thể xác định khoảng cách
giữa hai mặt mạng d theo công thức (1.7). Biết d sẽ xác định được chỉ số Miller
(hkl) và ngược lại.
 Xác định kích thước của hạt.
 Kích thước hạt được tính theo cơng thức Scherrer:

D

0.9
(2 ) cos 

(1.16)

Trong đó:
D: là kích thước hạt.
(2): là độ bán rộng của đỉnh (là độ rộng tại vị trí ½ cường độ đỉnh).
 Như vậy, từ giản đồ nhiễu xạ, khi cường độ các đỉnh lớn hơn, nghĩa là độ bán
rộng của đỉnh hẹp hơn thì kích thước của hạt lớn hơn và độ kết tinh của tinh thể cao
hơn. Mặt khác, khi mật độ các đỉnh nhiều hơn, cũng cho thấy màng có độ kết tinh
cao hơn.
1.4.3. Phương pháp đo AFM.
 Chức năng: khảo sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc
xác định lực tương tác nguyên tử giữa 1 đầu mũi dị nhọn với bề mặt mẫu,có thể
quan sát ở độ phân giải nm.

Trang 19


 Cấu tạo: AFM gồm
g
các bộ phận chính: Mũi dị(tip),, ccần quét(cantilever),
nguồn laser, gương
ương phản
ph xạ (mirror), hai nửa
ửa pin quang điện (photodiod)
(photodiod), bộ
quét áp điện
ện (piezo scanner).
 Nguyên lý hoạt
ạt động.
Bề mặt mẫu đư
ược

ợc quét bằng cần quét có gắn một mũi ddị cực nhỏ, kích
thước chừng vài
ài nanomet. Khi đầu
đ dò ở gần bề mặt mẫu, nguy
nguyên tử của mũi dò bị
nguyên tử
ử ở mặt mẫu tác dụng, đó là
l lực
ực tác dụng giữa các nguy
nguyên tử hay gọi tắt là
lực nguyên tử
ử (atomic force).
force Khi dịch chuyển mũi nhọn trên
ên bbề mặt mẫu, chỗ nào
mặt mẫu nhô lên tức
ức là
l gần mũi nhọn hơn, lực nguyên tử
ử sẽ lớn, mũi nhọn bị tác
dụng mạnh. Ngược
ợc lại chỗ nào
n mặt mẫu lõm xuống các nguyên
ên ttử ở xa nhau, mũi
nhọn bị tác dụng yếu.

Hình 1.14.
1.14 Sơ đồ giải thích nguyên lý hoạt
ạt động của AFM
AFM.
Ta thấy
ấy tia laser tập trung chiếu vào

v một điểm nhỏ trên
ên ccần quét còn tia phản
xạ do đi đoạn đường
ờng dài
d nên bị loe ra chiếu vào tấm
ấm pin quang điện th
thành một diện
tích trịn sáng cỡ
ỡ bằng đồng xu. Tấm pin quang điện này
n được
ợc chia thành hai nửa.
Khi mũi
ũi nhọn không bị hút, cần quét nằm ngang, tia phản xạ đđược điều chỉnh sao
cho diện tích trịn
ịn sáng chiếu
chiếu đều hai nửa tấm pin quang điện, ddòng quang điện sinh

Trang 20


ra ở hai nửa bằng nhau, hiệu ứng của chúng bằng
không. Nhưng khi mũi nhọn bị hút, cần quét cong
xuống diện tích trịn sáng chạy lên, nửa tấm quang
điện ở trên được chiếu sáng nhiều hơn ở nửa dưới,
hiệu dòng quang điện ở hai nửa tấm pin quang điện
có một giá trị nào đó phụ thuộc vào cần quét cong
nhiều hay cong ít, thực chất là do bề mặt mẫu nhơ
lên hay lõm xuống. Người ta khuếch đại hiệu dịng

Hình 1.15. Đầu dò trong hệ

đo Profilometer.
khiển độ sáng tối của chùm tia điện tử quét trên màn hình.
quang điện này (khuếch đại vi sai) và dùng để điều

1.4.4. Hệ đo độ dày màng Profilometer (phương pháp stylus).
Khảo sát độ dày màng nhờ thiết bị đo Profilometer của trường ĐH Khoa Học Tự
Nhiên, ĐH Quốc gia TPHCM. Đây là phương pháp đo độ dày màng bằng đầu dò
quét ngang màng và cho phép xác định độ dày ở cấp độ micrometer hay nanometer.
Các bộ phận chính trong hệ Profilometer gồm: (1) camera: để quan sát mẫu và
có khả năng quan sát được những dịch chuyển tế vi; (2) đầu dò: đây là thiết bị quan
trọng nhất trong hệ đo (hình 1.15), đỉnh được làm bằng kim cương có kích thước rất
nhỏ, được dịch chuyển thẳng đứng; (3) bộ phận giữ đầu dò: dùng để giữ đầu dò và
điều chỉnh độ nghiêng của nó so với bề mặt màng; (4) cảm biến: để nhận dạng kết
cấu của bề mặt màng; (5): bộ phận đế: dùng để để đặt màng và giá đỡ cho hệ đo.
Nguyên lý hoạt động: màng được đặt trên bộ phận đế có thể di chuyển ngang
một cách đều đặn với độ chính xác cao. Đầu tiên, người ta đặt mũi đầu dị tì sát vào
đế (chỗ khơng có màng) với một lực xác định. Sau đó, dịch chuyển bộ phận đế nhờ
một mô-tơ bước. Sự thay đổi vị trí của đầu dị trên màng dẫn đến sự thay đổi lực
tiếp xúc giữa đầu dò và màng. Sự thay đổi này được nhận biết nhờ hệ thống LVDT
(Linear Variable Differential Transformer) được nối với đầu dò. Tại những vị trí có
độ dày khác nhau, LVDT sẽ chuyển những thay đổi thành tín hiệu điện tương
đương và thơng qua hệ thống xử lý, kết quả được hiển thị trên màn hình của máy
tính.

Trang 21


CHƯƠNG II: VI KHUẨN E. COLI VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐỊNH LƯỢNG VI KHUẨN
Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát

thấy bằng mắt thường. Nó phân bố ở khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong
khơng khí, trong thực phẩm ... Nó có mặt ở dưới những độ sâu tăm tối của đại
dương. Bào tử của nó tung bay trên những tầng cao của bầu khí quyển, chu du theo
những đám mây. Nó sống được trên kính, trên da, trên giấy, trên những thiết bị
bằng kim loại ...
So với các sinh vật khác thì vi khuẩn Escherichia coli có tốc độ sinh trưởng
và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn. Vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích
hợp cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ
(generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ
một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 4 722 366 5. 1014 tế bào (nặng 4711 tấn!). Tất nhiên
trong thực tế không thể tạo ra các điều kiện sinh trưởng lý tưởng như vậy được cho
nên số lượng vi khuẩn thu được trong 1ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ
108 - 109 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120
phút.
2.1. Vi khuẩn E. Coli.
E. coli là vi khuẩn hiếu khí tùy ý hiện diện trong đường ruột của người và
các loại động vật máu nóng. Hầu hết các dịng E. coli khơng gây hại và đóng vai trị
quan trọng trong việc ổn định đường ruột. Tuy nhiên, có 4 dịng có thể gây bệnh
cho người và một số loài động vật là EPEC (Enteropathogenic E. coli), ETEC
(Enterotoxigenic), EIEC (Enteroinvasive E. coli), và EHEC (Enterohaemorrhagic E.
coli) hay VTEC (Verocytoxin E. coli) hay E. coli O157:H7. Các loài E. coli hiện
diện rộng rãi trong môi trường bị ô nhiễm phân hay chất thải hữu cơ, phát triển và
tồn tại rất lâu trong mơi trường. Gần đây, người ta cịn chứng minh được rằng E.
coli cũng có mặt ở những vùng nước ấm, không bị ô nhiễm chất hữu cơ. Do sự phân
bố rộng rãi trong tự nhiên nên E. coli dễ dàng nhiễm vào thực thẩm từ nguyên liệu
hay thông qua nguồn nước trong quá trình sản suất, chế biến. Các dòng E. coli gây

Trang 22

bệnh gây ra các triệu chứng rối loạn đường tiêu hóa. Biểu hiện lâm sàng thay đổi từ
nhẹ đến rất nặng, có thể gây chết người phụ thuộc vào mức độ nhiễm, dòng gây
nhiễm và khả năng đáp ứng của từng người.
2.1.1. Cấu tạo vi khuẩn E. coli.

Hình 2.1. Hình ảnh vi khuẩn E. coli và cấu tạo E. coli bao gồm màng tế
bào chất, tế bào chất, thể nhân.
Vi khuẩn E. coli thuộc nhóm vi khuẩn Gram âm (G-), cấu tạo gồm 5 bộ phận
chính: vỏ nhầy và dịch nhầy, thành tế bào, màng tế bào chất, tế bào chất và thể
nhân.
2.1.1.a. Vỏ nhầy và dịch nhầy.
Lớp này có bản chất hóa học là polysaccharid và khi làm khơ, người ta xác
định được 90 – 98% trọng lượng của màng nhầy là nước. Màng nhầy có tác dụng
bảo vệ vi khuẩn trong điều kiện khô hạn, tránh bị thực bào; cung cấp dinh dưỡng
cho vi khuẩn khi thiếu thức ăn và cũng là nơi tích lũy một số sản phẩm trao đổi
chất.
2.1.1.b. Màng tế bào.
Màng tế bào là lớp ngồi cùng có tác dụng duy trì hình dạng tế bào, bảo vệ
tế bào, cản trở sự xâm nhập của một số chất có hại. Thành tế bào được cấu tạo bởi
Peptidoglycan, lipid và protein.
2.1.1.c. Màng tế bào chất.
Màng tế bào chất là lớp kế tiếp thành tế bào có nhiệm vụ hô hấp cho tế bào,
làm hàng rào cản hầu hết các phân tử tan trong nước và có tính chọn lọc hơn so với
thành tế bào. Cấu tạo màng tế bào chất là 2 lớp phospholipid (PL) và protein bao
phủ 2 lớp PL này.

Trang 23


Do có chức năng như vậy, thành tế bào và màng tế bào chất duy trì sự sống

của vi khuẩn E. coli. Vi khuẩn E. coli sẽ chết nếu thành tế bào và màng tế bào chất
bị phá hủy hay biến mất.
2.1.1.d. Tế bào chất (TBC).
Tế bào chất là vùng dịch thể dạng keo chứa các chất hòa tan trong suốt và
các hạt như riboxome, gồm khoảng 80% nước. Trong TBC có protein, acid nucleic,
hydratcarbon, lipid, các ion vơ cơ và nhiều chất có khơi lượng phân tử thấp khác.
TBC của vi khuẩn không di động bên trong tế bào cũng không chứa bộ khung tế
bào, tức là mạng lưới các sợi giúp duy trì hình dạng của tế bào.
2.1.1.e. Thể nhân.
Thể nhân là nhân nguyên thủy chưa có màng nhân đặc trưng cho các cơ thể
thuộc giới Prokaryote. Thể nhân còn gọi là vùng nhân, thể giống nhân. Thể nhân
của vi khuẩn là một nhiễm sắc thể (NST) duy nhất cấu tạo bởi một sợi ADN xoắn
kép còn gắn với màng tế bào chất. NST của vi khuẩn có chiều dài thay đổi trong
khoảng 0,25 – 3,0 µm, vi khuẩn E. coli có chiều dài ADN khoảng 1,0 µm. NST của
E. coli gồm 4,6.106 cặp baz và có khối lượng phân tử 3.109.
2.1.2. Cơ chế diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác.
Cơ chế diệt khuẩn được minh họa theo hình 2.2: Sau khi chiếu ánh sáng
UVA, các gốc oxygen phản ứng (reactive oxygen species-ROS) như: hydroxyl,
superoxide, hydrogen perooxide (H2O2) được sinh ra liền khử các phân tử protein
và phospholipid của màng tế bào chất làm màng bị phân hủy. Màng tế bào bị phá
hủy làm không thể che chở cho tế bào chất và thể nhân từ đó vi khuẩn sẽ bị chết.
Theo hình 2.2, các gốc khử mạnh sinh ra trong q trình quang xúc tác tấn
cơng lần lượt vào màng ngoài, rồi đến màng tế bào và sau cùng là phá hủy màng tế
bào chất dẫn đến sự chết của vi khuẩn.

Trang 24


Hình 2.2. Mơ hình cơ chế q trình diệt khuẩn của màng TiO2.
Theo nghiên cứu [19] đã nêu ra bằng chứng diệt khuẩn E. coli thông qua việc

phá hủy màng là có sự xuất hiện endotoxin trong q trình diệt khuẩn bằng quang
xúc tác TiO2. Endotoxin là một đại phân tử lipopolysaccharide (gồm lipid và
polysaccharide) có trong thành phần màng ngoài tế bào vi khuẩn E. coli. Nội độc tố
của endotoxin gây ra phần lớn do các lipid (chủ yếu là lipid A). Endotoxin là một
thành phần bên trong vỏ tế bào và chỉ được tạo ra khi cấu trúc tế bào bị phân hủy.
Do đó, sự xuất hiện endotoxin chứng tỏ màng ngoài tế bào bị phá hủy do quá trình
quang xúc tác.
2.2. Các phương pháp định lượng vi khuẩn và lựa chọn phương pháp phù hợp
cho vật liệu màng.
Có hai nhóm phương pháp chính để định lượng vi khuẩn:
- Nhóm các phương pháp đếm thơng thường.
- Nhóm các phương pháp không truyền thống.
2.2.1. Các phương pháp đếm thông thường.
Sự hiện diện của vi sinh vật có thể được định lượng bằng nhiều phương pháp
khác nhau như đếm số lượng tế bào trực tiếp trên kính hiển vi, định lượng gián tiếp
thông qua mức độ cản ánh sáng (độ đục), đếm số khuẩn lạc mọc trên một môi
trường xác định, định lượng một cách thống kê bằng phương pháp pha loãng tới hạn
(phương pháp MPN) …
2.2.1.a. Phương pháp đếm trực tiếp.
Trang 25