Luận văn Nghiên cứu và chế tạo thiết bị khử vi khuẩn sử dụng led cực tím (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và chế tạo thiết bị khử vi khuẩn sử dụng led cực tím (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VŨ THẾ ĐẢNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ KHỬ VI KHUẨN SỬ DỤNG LED CỰC TÍM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 0 2 6 7 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2010
2. BỘ GIÁO D ỤC VÀ ĐÀO T ẠO TR ƯỜNG ĐẠI H ỌC S Ư PH ẠM K Ỹ THU ẬT THÀNH PH Ố HỒ CHÍ MINH LU ẬN V ĂN TH ẠC S Ĩ VŨ TH Ế ĐẢNG NGHIÊN C ỨU VÀ CH Ế TẠO THI ẾT B Ị KH Ử VI KHU ẨN S Ử DỤNG LED C ỰC TÍM NGÀNH K Ỹ THU ẬT ĐIỆN T Ử - 60 52 70 Hướng d ẫn khoa h ọc: GVC. TS. NGUY ỄN V ĂN HI ẾU Tp. H ồ Chí Minh, Tháng 11 n ăm 2010
3. LÝ L ỊCH KHOA H ỌC I. LÝ L ỊCH S Ơ L ƯỢC: Họ & tên: Vũ Th ế Đảng Gi ới tính: Nam Ngày, tháng, n ăm sinh: 13/11/1984 Nơi sinh: Bắc Ninh Quê quán: Bắc Ninh Dân t ộc: Kinh Ch ỗ ở riêng ho ặc địa ch ỉ liên l ạc: 41/6 ấp Tân Hoà, xã Đông Hoà, huy ện D ĩ An, T ỉnh Bình D ươ ng Điện tho ại c ơ quan: Điện tho ại nhà riêng: 098 446 2253 Fax: E-mail: 0H vuthedang@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO T ẠO: 1. Cao đẳng: Hệ đào t ạo: Chính Qui Th ời gian đào t ạo t ừ 09/2002 đến 05/2005 Nơi h ọc: Đại h ọc S ư ph ạm K ỹ Thu ật Tp. H ồ Chí Minh Ngành h ọc: Kỹ Thu ật Điện – Điện T ử 2. Đại h ọc: Hệ đào t ạo: Chính Qui Th ời gian đào t ạo t ừ 09/2005 đến 05/2007 Nơi h ọc (tr ường, thành ph ố): Đại h ọc S ư ph ạm K ỹ Thu ật Tp. H ồ Chí Minh Ngành h ọc: Kỹ Thu ật Điện – Điện T ử Tên đồ án, lu ận án ho ặc môn thi t ốt nghi ệp: HỆ TH ỐNG X Ử LÝ TH ỰC ĐƠ N TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHI ỂN T Ừ XA B ẰNG SÓNG VÔ TUY ẾN Ngày & n ơi bảo v ệ đồ án tốt nghi ệp: 07/2007 Tại Hội đồng ch ấm b ảo v ệ đồ án tốt nghi ệp tr ường Đại h ọc S ư ph ạm K ỹ thu ật Tp. H ồ Chí Minh Ng ười h ướng d ẫn: ThS. Nguy ễn Thanh Bình III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN K Ể TỪ KHI T ỐT NGHI ỆP ĐẠI HỌC: Th ời gian Nơi công tác Công vi ệc đảm nhi ệm Từ 6/2007 Tr ường Trung h ọc Công Nghi ệp Tp. H ồ Chí Minh Giáo viên gi ảng d ạy chuyên ngành Điện t ử Từ 9/2008 Tr ường Cao đẳng Ngh ề Công ngh ệ và Nông Lâm Giáo viên gi ảng d ạy chuyên Nam B ộ ngành Điện - Điện t ử -i-
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên c ứu c ủa tôi. Các s ố li ệu, k ết qu ả nêu trong lu ận v ăn là trung th ực và ch ưa t ừng được ai công bố trong b ất k ỳ công trình nào khác Tp. H ồ Chí Minh, ngày 01 tháng 11 n ăm 2010 (Ký tên và ghi rõ h ọ tên) -ii-
5. LỜI C ẢM ƠN Để hoàn thành lu ận v ăn th ạc s ỹ này, em xin trân tr ọng c ảm ơn quý th ầy,cô đã t ận tình gi ảng d ạy, cung c ấp ki ến th ức, tài li ệu và h ướng d ẫn Lu ận v ăn. Tr ước h ết, em bày t ỏ lòng bi ết ơn đến GVC. TS. Nguy ễn V ăn Hi ếu, Trưởng Khoa Điện t ử Vi ễn thông, Trưởng b ộ môn V ật lý-Điện t ử, Trường ĐH Khoa h ọc T ự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh. Th ầy đã h ướng dẫn t ận tình, dẫn d ắt ng ười nghiên c ứu trong su ốt đề tài, đã tạo điều ki ện v ề kinh phí mua thi ết b ị và linh ki ện để th ực hi ện đề tài, tham gia các h ội ngh ị khoa h ọc và hoàn ch ỉnh n ội dung lu ận v ăn này. Em xin c ảm ơn PGS. TS. Nguy ễn V ăn S ức, Trưởng Khoa Công ngh ệ Hoá và Th ực ph ẩm, Trưởng b ộ môn Công ngh ệ Môi tr ường, Giám đốc Trung tâm K ỹ thu ật và Công ngh ệ môi tr ường, Trường ĐH S ư ph ạm K ỹ thu ật Tp. H ồ Chí Minh đã t ạo điều ki ện v ề thi ết b ị, phòng thí nghi ệm và t ư v ấn v ề ph ươ ng pháp trong các thí nghi ệm nuôi c ấy ki ểm nghi ệm kh ả năng kh ử vi khu ẩn c ủa thi ết b ị. Sự hỗ tr ợ điều ki ện kh ảo sát vi khu ẩn và ki ến th ức chuyên ngành c ủa Cô Nguy ễn Phan Thúy Hi ền (Trung tâm K ỹ thu ật và Công ngh ệ Môi tr ường) đã giúp cho các thí nghi ệm nuôi c ấy và ki ểm tra l ượng vi khu ẩn tr ước sau chi ếu xạ được ti ến hành nhanh chóng va đạt k ết qu ả tốt. Các n ội dung h ọc ph ần cao h ọc đã giúp em có đủ ki ến th ức và tay ngh ề hoàn t ất lu ận văn, em c ũng xin g ửi l ời các ơn đến các th ầy,cô PGS.TS. Thái Bá C ần, PGS.TS. Đinh S ỹ Hi ền, PGS.TS. Quy ền Huy Ánh, PGS.TS. Ph ạm H ồng Liên, PGS.TS. Nguy ễn V ăn Nh ờ, TS. Phan H ồng Ph ươ ng, TS. Nguy ễn Thanh Ph ươ ng, TS. Tr ần Thu Hà, TS. Ngô V ăn Thuyên, TS. Võ Th ị Xuân, GVC. ThS. Nguy ễn Vi ệt Hùng, GVC. Ths. Tr ần Ti ến Đức, ThS. Nguy ễn Ngô Lâm và các th ầy cô khác. Em c ũng bày t ỏ lòng bi ết ơn đến các th ầy trong BCN Khoa Điện- Điện t ử đã t ạo điều ki ện, theo dõi và bám sát ti ến độ học t ập và làm lu ận v ăn t ốt nghi ệp. S ự động viên, chia s ẽ kinh nghi ệm c ủa t ật th ể lớp cao h ọc Kỹ thu ật Điện t ử khoá 2008-2010 đã giúp tôi v ượt qua nh ững tháng ngày v ất v ả đèn sách. Cu ối cùng, con xin c ảm ơn ba m ẹ và các thành viên trong gia đình đã dành nhi ều tình cảm, động viên tinh th ần, h ỗ tr ợ tài chính cho quá trình h ọc t ập trong su ốt 2 n ăm qua. Trân tr ọng c ảm ơn t ất c ả từ đáy lòng c ủa em. Vũ Th ế Đảng -iii-
6. TÓM T ẮT LU ẬN V ĂN Ngày nay, nhân lo ại đang ph ải đươ ng đầu v ới 3 v ấn n ạn toàn c ầu trong s ự phát tri ển. Th ứ nh ất, ô nhi ễm không khí mà nhi ều ch ất b ẩn là h ạt r ắn, ch ất l ỏng, hay gas trong không khí. Chúng làm h ại con ng ười và môi trường s ống. Nó là s ản ph ẩm c ủa s ự không cân b ằng trong phát tri ển kinh t ế nhanh mà không chú tr ọng môi tr ường. V ấn đề th ứ 2, ngu ồn n ước b ị bẩn cùng là v ấn n ạn cho các qu ốc gia. Ng ười ta tuyên doán r ằng nó d ẫn đến nguyên nhân ch ết và b ệnh trên toàn th ế gi ới của h ơn 14 ngàn ng ười m ỗi ngày. Mặc khác, chúng ta s ẽ cạn ngu ồn n ước s ạch trong vài th ế kỷ tới n ếu không có nh ững gi ải pháp k ịp th ời. Ng ộ đọc th ực ph ẩm được xem là v ấn n ạn th ứ 3. Chúng đến t ừ 2 nguyên nhân: lây nhi ễu hay ng ộ độc. Sự tồn t ại c ủa khu ẩn va vi khu ẩn trong th ực ph ẩm hay bao g ồm vi khu ẩn t ạo ra độc t ố tất c ả đều d ẫn đến lây nhi ễm. Các công ngh ệ xử lý n ước và kh ử vi khu ẩn trong n ước đã có nhi ều c ải ti ến tuy nhiên chúng v ẫn có nh ững h ạn ch ế nh ư: dùng hoá ch ất thì làm thay đổi mùi vị và để lại d ư lượng hoá ch ất; dùng nhi ệt thì làm thay đổi tính ch ất c ủa v ật kh ử; dùng ozone hi ệu qu ả kh ử không cao, giá thành cao; dùng b ức x ạ cực tím v ới đèn thu ỷ ngân áp su ất th ấp thì nguy h ại cho ng ười khi b ị tia UV chi ếu vào và ph ải x ử lý thu ỷ ngân khi đèn h ỏng, Nh ằm góp ph ần đư a ra nh ững gi ải pháp k ỹ thu ật ban đầu, tác gi ả đã th ực hi ện đề tài: “ NGHIÊN C ỨU VÀ CH Ế TẠO THI ẾT B Ị KH Ử VI KHU ẨN S Ử DỤNG LED C ỰC TÍM” . D ựa trên nh ững đặc tính n ổi tr ội c ủa c ủa lo ại linh ki ện UVLED so v ới đèn thu ỷ ngân nh ư: tu ổi th ọ cao; tiêu th ụ công su ất th ấp, không gây nguy hi ểm cho ng ười, không ch ứa các ch ất thu ỷ ngân, hay chì . Với th ời gian t ừ tháng 2/2010 đến tháng 8/2010, tác gi ả đã nghiên c ứu mạch điều khi ển dòng điện cho UVLED phát x ạ tia t ử ngo ại v ới c ường độ khác nhau. M ạch điều khi ển trung tâm v ới nhi ều tính n ăng n ổi b ật nh ư: cho phép l ựa ch ọn nhi ều ch ế độ điều khi ển: Auto hay Manual, Thi ết b ị cho phép giao giao ti ếp với máy tính, điều khi ển tr ực ti ếp t ừ máy tính, cho phép c ập nh ật l ịch s ử chi ếu x ạ từ thi ết b ị lên máy tính xu ất ra file Excel để ng ười dùng thu ận ti ện cho vi ệc th ống -iv-
7. kê. Vi ệc điều khi ển dòng qua UVLED được th ực hi ện b ằng ph ươ ng pháp điều rộng xung PWM. Ph ươ ng pháp này giúp gi ảm nhi ệt độ cho LED và Mosfet do chúng s ẽ có th ời gian ngh ỉ là T off đồng th ời khi xét t ại m ột th ời điểm t ức thì thì cường độ dòng qua UVLED là cao nh ất lên c ường độ bức x ạ cũng là cao nh ất lên kh ả năng đâm xuyên qua môi tr ường chi ếu là t ối ưu nh ất. Vi ệc b ố trí UVLED c ũng là m ột y ếu t ố khá quan tr ọng quy ết định kh ả năng kh ử vi khu ẩn c ủa thi ết b ị. Trong đề tài này, chúng tôi đã nghiên c ứu các c ơ sở lý thuy ết, thông s ố kỹ thu ật c ủa UVLED và m ột s ố th ực nghi ệm c ủa m ột s ố tác gi ả th ực hi ện trên LED ánh sáng tr ắng để đư a ra ph ươ ng pháp t ối ưu nh ất s ắp xếp UVLED để cường độ chi ếu x ạ đồng đều trên b ề mặt ph ơi nhi ễm. Sau cùng để ch ứng minh nh ững nghiên c ứu và các c ơ s ở lý thuy ết đã đư a ra, chúng tôi đã th ực hi ện ki ểm nghi ệm kh ả năng kh ử vi khu ẩn c ủa thi ết b ị đã ch ế tạo. Từ các m ẫu n ước sinh ho ạt l ấy t ừ các địa điểm khác nhau, tác gi ả đã ki ểm nghi ệm kh ả năng di ệt khu ẩn của thi ết b ị khi thay đổi các thông s ố nh ư: Th ời gian chi ếu; công su ất chi ếu; m ật độ vi khu ẩn; các ngu ồn n ước khác nhau, Các thí nghi ệm này đã được th ực hi ện t ại phòng thí nghi ệm Công ngh ệ Môi tr ường,Trung tâm K ỹ thu ật và CNMT c ủa Trường Đại h ọc S ư ph ạm K ỹ thu ật Tp.HCM. Ph ươ ng pháp thí nghi ệm là ki ểm tra s ố khu ẩn l ạc tr ước và sau chi ếu x ạ. Chúng được nuôi c ấy trên đĩa petrifilm c ủa hãng 3M và ủ trong điều ki ện nhi ệt độ 37 0C trong 18-24 gi ờ. Các k ết qu ả th ống kê được đã ch ứng minh kh ả năng kh ử vi khu ẩn c ủa thi ết b ị ở mức độ khác nhau ứng v ới th ời gian chi ếu, c ường độ chi ếu, m ật độ vi khu ẩn khác nhau. Với k ết qu ả ban đầu này, nhóm tác gi ả có th ể phát tri ển ti ếp khi tăng s ố bóng UVLED, th ực hi ện các m ạch công su ất l ớn để có dòng l ớn, c ải thi ết hình th ức khu v ực g ắn UVLED, thì s ản ph ẩm s ẽ hoàn thi ện. Nhóm tác r ất mong được s ự cộng tác nghiên c ứu và b ổ sung kinh nghi ệm t ừ các nhà khoa h ọc nh ằm s ớm đư a s ản ph ẩm ra th ị tr ường. Tp.HCM, tháng 10 n ăm 2010. Vũ Th ế Đảng -v-
8. SUMMARY OF THESIS Nowadays, human must in the face of three global problems in our developing process. Firstly, an air pollution that many substance are solid particles, liquid droplets, or gases in the air. They can cause harm to humans and the environment life. It is due to the product of the unbalance of quick growth of economic without mentioning environment. Secondly, water pollution is also major problem in the global context. It has been suggested that it is the leading worldwide cause of deaths and diseases and that it accounts for the deaths of more than 14,000 people daily. Moreover, we will be out of source of purity water in few centuries if we have no urgent solution. Food poisoning is seemed to be the third problem. They can come from two types of food poisoning: infectious agent and toxic agent. The presence of bacteria and other microbes in foods 1H or including bacterially produced exotoxins are all caused infection. Anyway, they become the social problem for not only who but also worldwide. Therefore, water treatment technologies in water and antibacterial activity was much improved but they still have limitations such as using chemicals to change the taste and leave residues of chemicals, heat is used to replace reduction in the properties of materials, use of ozone removal efficiency is not high, high cost, using ultraviolet radiation with low-pressure mercury lamps are highly efficient but hazardous for people when UV light shines on and must be treated when broken mercury lamps, . To contribute some initial technical solution, we selected the title of master thesis with it name of " Survey and make the sterilizing device using Ultraviolet LEDs ". Based on the outstanding features of the types of components UVLED than mercury lamps such as long life, low power consumption, no danger to people, do not contain mercury or lead, etc, For the period from February 2010 to August 2010, we studied the current control circuit for UVLED ultraviolet radiation with different intensities. Central controller with many features like to select multiple control modes: Auto or Manual, assigned to communicate with the computer, controlled directly from the computer, allowing irradiation update history from device to computer and output to Excel file -vi-
9. to facilitate the users of statistics.The current through UVLED control is done by method of pulse width (PWM). This method reduces the temperature of the LED and MOSFET because they will have vacation time (T off ). Also, when considered at a time instant, the current intensity is the highest so UVLED radiation intensity is high should best penetration through the radiation environment is optimal. The arrangement of UVLED is a pretty important factor, it determines the ability of equipment to kill bacteria. In this project, we will explore the theoretical basis, technical parameters of UVLED and some of the experimental implementation of some authors on the white LED light to provide the best method to sort UVLED uniform intensity radiation exposure on the surface. Finally, to prove the research and theoretical grounds that the authors have made, we performed experiments to test the ability of bacteria built equipment. In some water samples taken from different sources. We tested the ability to kill bacteria when changing parameters such as irradiation time, irradiation power, bacterial density and different water resources, . These experiments were conducted in the laboratory of Environmental Technology, the Centre for Technical and Environmental Technology, Hochiminh University Technical of Education. The testing method is to count the number of colonies before and after irradiation. We, were grew on disks petrifilm of 3M Company and fermented in temperature conditions of 37 0C in 18-24 hours. The results are statistically proven ability to kill bacteria in the device's different levels, corresponding to irradiation time, irradiation intensity and density of different bacteria. With obtained initial results, we can continue to develop this device in the case of the increasing number of UVLED, applied high current with power circuits, upgraded cover box for lamp, that our produce is perfectly. We would like to get many precious advices from scientists and invest from industrial partner to put our product on the market soon. .Hochiminh City, Oct. 2010. Vu The Dang -vii-
10. MỤC L ỤC HÌNH Ch ươ ng 1 Hình 1. 1: Cu ộc cách m ạng c ủa h ợp ch ất Nitride v ới l ợi điểm c ủa khe n ăng l ượng rộng. 2 Hình 1. 2: Cấu trúc c ủa UVLED v ới gi ếng đa l ượng t ử của AlGaN-MQW cho phát quang 231-261 nm 276H [22]. 4 Ch ươ ng 2. Hình 2.1: Lý thuy ết vùng năng l ượng v ới 3 vùng n ăng l ượng c ủa điện t ử. 12 Hình 2. 2: Các quá trình x ảy ra gi ữa 2 vùng n ăng l ượng. 12 Hình 2. 3: Mô t ả cấu trúc LED: (a) ti ếp xúc m ặt GaAs và (b) c ơ ch ế phát sáng. 13 Hình 2. 4: Mô t ả nguyên lý phát x ạ bước sóng c ực tím c ủa UV LED 14 Hình 2. 5: Mô t ả cấu trúc UVLED c ủa 1 LED th ươ ng m ại và phóng l ớn ph ần c ấu trúc MQWs cho b ức x ạ cực tím 292H[30]. 15 Hình 2. 6: Phân lo ại sóng các điện t ừ theo kh ả xuyên sâu qua khí quy ển, tên g ọi, bước sóng kích th ước t ần s ố và nhi ệt độ phát ra c ủa sóng. 17 Hình 2. 7: Ảnh ch ụp b ề mặt c ủa UVLED ký hi ệu SB1100 với b ước sóng 365nm, dòng t ối đa là 700mA, s ử dụng điện th ế 5V. 19 Hình 2. 8: Mô t ả cơ ch ế sinh s ản c ủa vi khu ẩn. 19 Hình 2. 9: Mô t ả cơ ch ế tạo ra dimer làm thay đổi c ấu trúc ADN c ủa vi khu ẩn ch ống lại s ự sinh s ản do phân bào: (a,b) m ột s ố liên k ết T=T hình thành khi b ị UV tác d ụng và (c) liên k ết m ới T^T được t ạo nên. 20 Hình 2. 10: Hình d ạng m ột số vi khu ẩn trong n ước:(a) Salmonella hình ống dài, (b) E.coli hình trái chôm chôm và (c) Cholerae hình con giun 297H[01]. 21 Hình 2. 11: Ảnh ch ụp hi ển vi và tên g ọi khoa h ọc c ủa loài E.coli 298H[37]. 21 Hình 2. 12: Vi khu ẩn E.coli: (a) c ấu trúc c ơ th ể 299H[38] và (b) qui trình phân bào sinh s ản 300H[39]. 22 Hình 2. 13: Mô t ả quá trình phân chia c ủa vi khu ẩn. 23 Hình 2. 14: Mô t ả ph ươ ng pháp pha loãng th ập phân. 25 -viii-
11. Hình 2. 15: Mô t ả qui trình đếm vi khu ẩn trên m ẫu: (a) môi tr ường MC (Mac Conkey agar) t ạo khu ẩn l ạc màu đỏ hay h ồng sáng, (b) môi tr ường BGA (Brillant Green Agar) có màu vàng xung quanh khu ẩn l ạc và (c) môi tr ường Indol t ạo khu ẩn l ạc màu đỏ 301H[12]. 25 Hình 2. 16. Ph ươ ng pháp đếm khu ẩn l ạc xác định s ố lượng vi khu ẩn E.coli 302H[12]. 25 Hình 2. 17. Nuôi c ấy vi khu ẩn để xác định t ỉ lệ di ệt khu ẩn 304H[14]. 28 Hình 2. 18: Các dụng cụ bằng thu ỷ tinh được s ử dụng trong xét nghi ệm vi khu ẩn. 29 Hình 2. 19: Các lo ại cân ti ểu li đơ n v ị đến m ột ph ần ch ục ngàn gram. 30 Ch ươ ng 3. Hình 3. 1: Dòng UVLED ph ụ thu ộc vào (a) đặc tuy ến quan h ệ gi ữa công su ất chi ếu x ạ và (b) độ lệch b ước sóng trung tâm 307H[15]. 33 Hình 3. 2: Quan h ệ gi ữa điện áp AK và dòng điện phân c ực thu ận 308H[15]. 33 Hình 3. 3: Quan h ệ gi ữa c ường độ bức x ạ và góc phát c ủa UVLED. 34 Hình 3. 4: B ước sóng phát x ạ của m ột s ố UVLED. 34 Hình 3. 5: S ơ đồ mạch điều khi ển điện áp UAK c ủa UVLED b ằng LM317. 35 Hình 3. 6: Mạch điện công su ất cho UVLED: (a) dùng PWM điều khi ển công su ất của UVLED và (b) các d ạng xung c ủa tín hi ệu V, I và th ời gian kích xung. 36 Hình 3. 7: Các m ạch b ố trí hình d ạng các LED khác nhau s ẽ cho độ rọi khác nhau: (a) hình vuông l ớn, (b) hình thoi nh ỏ và dầy, (c) hình thoi nh ỏ và th ưa, (d) hình Ovan nh ỏ, (e) theo hình Ovan l ớn, (f) hình tròn và (g) hình ch ữ nh ật l ớn- nh ỏ lồng nhau. 37 Hình 3. 8: Đồ th ị cường độ ánh sáng theo kho ảng cách của các lo ại đèn 309H[02]. 37 Hình 3. 9: Đồ th ị cường độ sáng theo góc chi ếu. 38 Hình 3. 10: Đồ th ị mô t ả độ rọi theo công su ất t ừ 100% gi ảm còn 10%. 38 Hình 3. 11: Phân b ố cường độ chi ếu x ạ của UVLED theo góc phát. 39 Hình 3. 12: Ph ươ ng pháp b ố trí LED để cường độ chi ếu x ạ trên b ề mặt ph ơi nhi ễm g ần nh ư b ằng nhau. 39 Hình 3. 13: Sơ đồ kh ối thi ết b ị di ệt khu ẩn dùng tia t ử ngo ại. 40 -ix-
12. Hình 3. 14: Tổng th ể thi ết b ị di ệt khu ẩn s ử dụng UVLED. 42 Ch ươ ng 4. Hình 4. 1: Qui trình thí nghi ệm kh ử khu ẩn dùng thi ết b ị ch ế tạo phát ra b ước sóng cực tím. 51 Hình 4. 2. Thi ết b ị đang chi ếu tia UV vào m ẫu n ước : (a) Ống nghi ệm th ực hi ện pha loãng vi khu ẩn ; (b) Các khay ch ứa m ẫu đem đi chi ếu ; (c) (d)(e) Thi ết b ị đang th ực hi ện chi ếu x ạ. 52 Hình 4. 3. Thi ết b ị xét nghi ệm:(a) Máy ủ kh ống ch ế nhi ệt độ để nuôi c ấy vi khu ẩn; (b) máy t ạo nước c ất dùng trong pha loãng m ẫu chi ếu; (c) Máy đếm khu ẩn l ạc. 53 Hình 4.4: Đĩa Petrifilm tr ước sau chi ếu v ới th ời gian chi ếu là 60 phút. 56 Hình 4. 5: Đĩa Petrifilm tr ước sau chi ếu v ới th ời gian chi ếu là 180 phút. 56 Hình 4. 6: Quan h ệ tỉ lệ di ệt khu ẩn và th ời gian chi ếu. 57 Hình 4. 7: Đĩa Petrifilm m ẫu vi khu ẩn chi ếu v ới th ời gian 180 phút v ới m ật độ pha loãng khác nhau (a) M ẫu ban đầu ch ưa chi ếu (b) m ẫu sau chi ếu x ạ với độ pha loãng 1/5 ban đầu; (c) M ẫu sau chi ếu x ạ với độ pha loãng 1/10 ban đầu. 58 Hình 4. 8: Đĩa Petrifilm tr ước sau chi ếu x ạ với m ật độ vi khu ẩn ban đầu khác nhau. (a) M ẫu ban d ầu không chi ếu UV; (b) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/10 ban đầu (c) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/100 ban đầu; (d) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/1000 ban đầu 58 Hình 4. 9. So sánh t ỉ lệ di ệt khu ẩn coliform v ới m ật độ vi khu ẫn v ới công su ất chi ếu 0.8w và th ời gian chi ếu là 180phút m ẫu nước t ừ ngu ồn n ước tù đọng sau m ưa. 59 Hình 4. 10: Đĩa Petrifilm tr ước sau chi ếu x ạ với m ật độ vi khu ẩn ban đầu khác nhau. (a) M ẫu ban d ầu không chi ếu UV; (b) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/10 ban đầu; (c) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/100 ban đầu; (d) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/1000 ban đầu. 60 -x-
13. Hình 4. 11: So sánh t ỉ lệ di ệt khu ẩn coliform và E.Coli v ới m ật độ vi khu ẩn v ới công su ất chi ếu 0.8w và th ời gian chi ếu là 180 phút m ẫu n ước t ừ ngu ồn n ước th ải sinh ho ạt, n ước ch ứa phân động v ật. 60 Hình 4. 12: Đĩa Petrifilm tr ước sau chi ếu x ạ với m ật độ vi khu ẩn ban đầu khác nhau. (a) M ẫu ban d ầu không chi ếu UV; (b) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/100 ban đầu. 61 Hình 4. 13: Đĩa Petrifilm tr ước sau chi ếu x ạ với m ật độ vi khu ẩn ban đầu khác nhau. (a) M ẫu ban dầu không chi ếu UV; (b) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/10 ban đầu (c) M ẫu chi ếu UV v ới độ pha loãng 1/100 ban đầu. 62 Hình 4. 14: So sánh t ỉ lệ di ệt khu ẩn coliform và E.Coli v ới m ật độ vi khuẩn v ới công su ất chi ếu 0.72w và th ời gian chi ếu là 180 phút m ẫu n ước t ừ ngu ồn n ước th ải sinh ho ạt, n ước ch ức phân động v ật. 62 Hình 4. 15: Đĩa Petrifilm tr ước sau chi ếu x ạ với m ật độ pha loãng khác nhau công su ất chi ếu là 0.64W. 63 Hình 4. 16: So sánh t ỉ lệ di ệt khu ẩn coliform và E.Coli v ới m ật độ vi khu ẩn v ới công su ất chi ếu 0.64w và th ời gian chi ếu là 180 phút m ẫu n ước t ừ ngu ồn nước th ải sinh ho ạt, n ước ch ức phân động v ật. 64 Hình 4. 17. Quan h ệ tỉ lệ di ệt khu ẩn và công su ất chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn hàng ch ục ngàn CFU/ml. 64 Hình 4. 18: Quan h ệ tỉ lệ di ệt khu ẩn và công su ất chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn hàng ngàn CFU/ml 65 Hình 4. 19: Quan h ệ tỉ lệ di ệt khu ẩn và công su ất chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn hàng tr ăm CFU/ml. 65 Hình 4. 20. So sánh s ự khác bi ệt v ề kh ả năng di ệt khu ẩn gi ữa các ngu ồn n ước khác nhau. 66 -xi-
14. MỤC L ỤC B ẢNG Ch ươ ng 1. Bảng 1. 1: So sánh các ph ươ ng pháp di ệt khu ẩn khác nhau. 7 Bảng 1. 2: So sánh UVLED và đèn thu ỷ ngân áp su ất th ấp. 8 Ch ươ ng 2 Bảng 2. 1: Phân lo ại tia c ực tím theo tiêu chu ẩn ISO-DIS-21348 294H[36] .17 Bảng 2. 2: Ph ần tr ăm n ăng l ượng kh ử trùng c ủa tia UV b ị hấp th ụ với nh ững độ sâu khác nhau 303H[13]. 26 Ch ươ ng 3. Bảng 3. 1: Tham s ố quang và điện c ủa UVLED SB1100UV-365 305H[15]. 32 Bảng 3. 2: Các tham s ố nhi ệt độ của UVLED khi ho ạt động ứng v ới dòng c ực đại cho phép 306H[15]. 32 Ch ươ ng 4. Bảng 4. 1: K ết qu ả xét nghi ệm m ẫu n ước sinh ho ạt ký hi ệu N1 và N2 được li ệt kê các n ội dung chính. 55 Bảng 4. 2: Bảng th ống kê k ết qu ả các m ẫu th ể hi ện quan h ệ lượng vi khu ẩn tr ước sau chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn khác nhau th ực hi ện ngày 2/10/2010 công su ất chi ếu 0,8W. 57 Bảng 4. 3: Bảng th ống kê k ết qu ả các m ẫu th ể hi ện quan h ệ lượng vi khu ẩn tr ước sau chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn khác nhau th ực hi ện ngày 6/10/2010 công su ất chi ếu 0,8W. 58 Bảng 4. 4. T ổng h ợp t ỉ lệ di ệt khu ẩn các k ết qu ả chi ếu x ạ với m ật độ ban đầu khác nhau: 59 Bảng 4. 5: Bảng th ống kê k ết qu ả các m ẫu th ể hi ện quan h ệ lượng vi khu ẩn tr ước sau chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn khác nhau th ực hi ện ngày 11/10/2010 công su ất chi ếu 0,8W. 59 Bảng 4. 6: Tổng h ợp t ỉ lệ di ệt khu ẩn các k ết qu ả chi ếu x ạ với m ật độ ban đầu khác nhau: 60 -xii-
15. Bảng 4. 7: B ảng th ống kê k ết qu ả các m ẫu th ể hi ện quan h ệ lượng vi khu ẩn tr ước sau chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn khác nhau th ực hi ện ngày 6/10/2010 công su ất chi ếu 0,72W. 61 Bảng 4. 8: Bảng th ống kê k ết qu ả các m ẫu th ể hi ện quan h ệ lượng vi khu ẩn tr ước sau chi ếu v ới m ật độ vi khu ẩn khác nhau th ực hi ện ngày 7/10/2010 công su ất chi ếu 0,72W. 61 Bảng 4. 9: Tổng h ợp t ỉ lệ di ệt khu ẩn các k ết qu ả chi ếu x ạ với m ật độ ban đầu khác nhau: 62 Bảng 4. 10: Th ống kê k ết qu ả chi ếu x ạ với công su ất chi ếu 0.64W th ời gian chi ếu 180 phút. 63 Bảng 4. 11: Th ời gian di ệt vi khu ẩn t ươ ng quan v ới s ố lượng UVLED c ủa thi ết b ị. Với m ẫu n ước dùng trong sinh ho ạt, nước ng ầm. Có m ật độ vi khu ẩn th ấp và t ạp ch ất ít; Kho ảng cách đèn v ới m ẫu chi ếu 1cm (công su ất trên 1 đơ n v ị di ện tích 2,584mW/cm 2) 66 -xiii-
16. DANH M ỤC CÁC T Ừ VI ẾT T ẮT ADN Acid phosphoric, Deoxybose, Nitrogennous base CFU Colony-Forming Unit EUV Extreme Ultraviolet FUV Far Ultraviolet MCU Micro Control Unit MQW Multi Quantum Well MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MUV Middle Ultraviolet NUV Near Ultraviolet PWM Pulse Width Modulation LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode UV Ultraviolet UV LED Ultraviolet Light Emitting Diode VUV Vacuum UltraViolet -xiv-
17. MỤC L ỤC MỤC L ỤC HÌNH viii MỤC L ỤC B ẢNG xii DANH M ỤC CÁC T Ừ VI ẾT T ẮT xiv MỤC L ỤC xv Ch ươ ng 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Các nghiên c ứu v ề LED/UVLED hi ện nay: 1 1.2. C ơ s ở khoa h ọc và th ực ti ễn c ủa đề tài 6 1.3. Nhi ệm v ụ c ủa đề tài và gi ới h ạn c ủa đề tài: 8 1.3.1. Nhi ệm v ụ của đề tài: 8 1.3.2. Gi ới h ạn đề tài: 9 1.4. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu: 9 1.4.1. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu lý thuy ết: 9 1.4.2. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu th ực nghi ệm: 9 1.4.3. Ph ươ ng pháp th ống kê toán h ọc đơ n gi ản: 10 1.5. D ự ki ến k ết qu ả đạ t được 10 1.6. K ế ho ạch đã th ực hi ện đề tài 11 Ch ươ ng 2. GI ỚI THI ỆU V Ề UVLED VÀ KH Ử TRÙNG 12 2.1. C ơ s ở lý thuy ết v ề c ấu trúc LED 12 2.1.1. C ơ ch ế phát x ạ 12 2.1.2. Đặc tuy ến I-Vcủa diode 13 2.1.3. Diode phát x ạ cực tím 14 2.1.4. Hi ệu su ất phát xạ 15 2.2. Phân lo ại và ứng d ụng b ức x ạ t ử ngo ại ( UV) 16 2.2.1. Phân lo ại 16 2.2.2. Ngu ồn phát tia t ử ngo ại 18 2.2.3. C ơ ch ế di ệt khu ẩn c ủa tia t ử ngo ại 19 2.3. N ước sinh ho ạt và vi sinh v ật 20 -xv-
18. 2.3.1. Các vi khu ẩn, vi rút trong n ước 20 2.3.2. Thu ộc tính c ủa vi khu ẩn E.Coli 21 2.3.3. Sinh tr ưởng c ủa vi sinh v ật 23 2.4. Qui trình xét nghi ệm và kh ảo sát 24 2.4.1. Qui trình xét nghi ệm 24 2.4.2. Kh ảo sát các tính ch ất và môi tr ường 26 Độ h ấp th ụ tia t ử ngo ại c ủa các môi tr ường khác nhau 26 Cường độ chi ếu x ạ 27 Tỉ l ệ di ệt khu ẩn 27 2.4.3. D ụng c ụ thi ết b ị và hóa ch ất 29 2.4.4. An toàn trong xét nghi ệm vi sinh 30 Ch ươ ng 3. THI ẾT K Ế THI ẾT B Ị KH Ử VI KHU ẨN SỬ DỤNG UVLED 32 3.1. Thông s ố k ỹ thu ật c ủa UVLED SB1100UV-365nm 32 3.1.1. Tính ch ất quang 32 3.1.2. Các thông s ố cực đại khi ho ạt động 32 3.1.3. Các bi ểu đồ thu ộc tính c ủa UVLED 33 3.1.4. Ph ổ bước sóng phát x ạ UV c ủa LED 34 3.2. Ph ươ ng pháp điều khi ển công su ất chi ếu x ạ 35 3.2.1. Điều khi ển dòng b ằng thay đổi áp trên U AK 35 3.2.2. Điều khi ển dòng b ằng thay đổi độ rộng xung (PWM) 36 3.3. B ố trí UVLED cho b ức x ạ c ực đạ i 37 3.3.1. Thực nghiêm v ới LED ánh sáng tr ắng 37 3.3.2. Cơ s ở quang h ọc bố trí UVLED 39 3.4. Thi ết k ế m ạch điều khi ển 40 3.4.1. S ơ đồ kh ối h ệ th ống 40 3.4.2. Mô t ả ch ức n ăng và thi ết k ế các kh ối 40 3.5. Ch ươ ng trình điều khi ển 44 3.5.1. Điều khi ển qua phím ch ức n ăng 45 3.5.2. Giao ti ếp và điều khi ển qua PC 46 -xvi-
19. Ch ươ ng 4. KH ẢO SÁT KH Ả NĂNG KH Ử VI KHU ẨN CỦA THI ẾT BỊ CH Ế T ẠO 51 4.1. Kh ử vi khu ẩn trong n ước sinh ho ạt b ằng thi ết b ị ch ế t ạo: 51 4.1.1. Qui trình 51 4.1.2. Các k ết qu ả ban đầu kh ảo sát 53 4.2. Nh ận xét và đánh giá 67 4.2.1. Qui trình chi ếu 67 4.2.2. Th ời gian chi ếu, hi ệu su ất chi ếu, t ỉ lệ di ệt 2 lo ại vi khu ẩn 68 4.2.3. Thi ết b ị, s ố LED 69 4.2.4. Giá thành, kh ả năng ứng d ụng th ực t ế 70 Ch ươ ng 5: KẾT LU ẬN VÀ H ƯỚNG PHÁT TRI ỂN 72 5.1. K ết qu ả đề tài đã th ực hi ện: 72 5.1.1. Ph ần m ạch 72 5.1.2. Ph ần điều khi ển 73 5.1.3. Quy trình xét nghi ệm 73 5.1.4. K ết qu ả xét nghi ệm 75 5.2. Kh ả năng tri ển khai th ực t ế 76 5.2.1. Ngu ồn linh ki ện, yêu c ầu k ỹ thu ật l ắp ráp 76 5.2.2. Giá thành 77 5.2.3. Th ị tr ường tiêu th ụ 77 5.2.4. Đề xu ất qui trình x ử lý n ước u ống đóng chai, bình. 77 5.3. Nh ững t ồn đọ ng và định h ướng phát tri ển 79 TÀI LI ỆU THAM KH ẢO 81 TI ẾNG VI ỆT 81 TI ẾNG N ƯỚC NGOÀI 81 CÁC WEBSITE 84 PH Ụ LỤC 86 -xvii-
20. CH ƯƠ NG 1. TỔNG QUAN 1.1. Các nghiên c ứu v ề LED/UVLED hi ện nay: Diode phát quang (Light Emitting Diode, LED) là lo ại diode có kh ả năng phát ra ánh sáng. LED được c ấu t ạo t ừ 2 lo ại bán d ẫn lo ại p và lo ại n được phát hi ện vào n ăm 1907 b ởi H. J. Round (ng ười Anh). Ho ạt động c ủa LED gi ống nh ư nhi ều lo ại diode bán d ẫn d ựa vào c ơ ch ế chuy ển d ời các điện t ử sang l ỗ tr ống để hình thành nguyên t ử trung hòa t ại vùng ti ếp giáp P-N. Quá trình này gi ải phóng năng l ượng d ưới d ạng b ức x ạ điện t ừ với b ước sóng ánh sáng xác định. Năm 1962, đèn LED th ực t ế đầu tiên được phát minh b ởi Nick Holonyak, Jr tại công ty General Electric. Đầu tiên đèn LED màu đỏ được đư a ra tr ị tr ường và được s ử dụng ph ổ bi ến ở nhi ều n ơi cho vi ệc hi ển th ị thông tin ở dạng là 7 đoạn. Các LED này c ũng được l ắp vào thi ết b ị trong các phòng thí nghi ệm hi ện đại. Sau đó, chúng được dùng cho tivi, radio, điện tho ại, máy tính và các thi ết b ị chi ếu sáng khác. Tuy nhiên, các đèn LED đỏ ch ỉ đủ sáng cho ng ười dùng hay ph ạm vi h ẹp. Sau đó, công ngh ệ ch ế tạo LED đã phát tri ển nhanh đáp ứng nhu cầu v ề nhi ều lo ại màu s ắc khác nhau trong hi ển th ị, qu ảng cáo, chi ếu sáng, trong vùng kh ả ki ến. Các LED phát ra các b ước sóng h ồng ngo ại, X-ray, m ới được phát hi ện g ần đây mà đặc bi ệt là b ước sóng t ử ngo ại (Ultraviolet, UV) cũng có ti ềm n ăng trong l ĩnh v ực y sinh. -1-
21. Gallium Nitride cho LED màu xanh Hình 1. 1: Cu ộc cách m ạng c ủa h ợp ch ất Nitride v ới l ợi điểm c ủa khe n ăng lượng r ộng. Năm 1971, Nhà khoa h ọc Jacques Pankove tại PTN RCA 271H [18] đã thành công trong vi ệc nghiên c ứu và th ử nghi ệm ch ế tạo Gallium Nitride LED là diode phát quang màu xanh. Tuy nhiên, chúng v ẫn ch ưa được ứng d ụng m ột cách r ộng rãi và hi ệu qu ả. B ước vào nh ững n ăm 1980, các nhà khoa h ọc Nh ật b ản (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, ) 272H [19],273H [20] đã t ạo ra m ột cu ộc cách m ạng v ề LED xanh, linh ki ện quang điện t ử khi s ử dụng ph ươ ng pháp t ạo m ầm GaN cho bán dẫn lo ại p. Các l ớp màng m ỏng InGaN xen k ẽ GaN t ạo nên gi ếng l ượng t ử đa l ớp (Multi Quantum Wells: MQW) ngu ồn g ốc c ủa s ự phát quang t ừ vùng tím đến vùng đỏ. AlGaN và AlN th ường được s ử dụng để tạo ra các l ớp gi ếng l ượng t ử cho LED c ực tím, nh ưng các nhà khoa h ọc v ẫn ch ưa hoàn t ất nghiên c ứu để nâng hi ệu su ất. Tuy nhiên, h ọ cũng phát hi ện c ấu trúc InGaN-GaN s ẽ phát x ạ màu xanh dươ ng hay xanh lá. N ếu s ự kích ho ạt c ủa l ớp gi ếng l ượng t ử là GaN, nh ư xen k ẽ lớp InGaN ho ặc AlGaN s ẽ phát ra ánh sáng g ần nh ư tia c ực tím v ới b ước sóng t ừ 350-370 nm. LED xanh lá được phát x ạ từ cấu trúc InGaN-GaN có hi ệu xu ất phát xạ cao và c ường độ chi ếu sáng m ạnh h ơn lo ại LED màu xanh lá được ch ế tạo t ừ vật li ệu không có nitric. -2-