Vật liệu phản quang cho chiếu sáng nông nghiệp

267

Các nghiên cứu về phổ hấp thụ ánh sáng của thực vật cho thấy, cây chỉ hấp thụ chủ yếu hai loại ánh sáng, đỏ (Ằ = 630 – 720 nm) và xanh (k = 430 – 460 nm). Ánh sáng đỏ đóng vai trò quan trọng trong quang hợp, tổng hợp tinh bột ở thực vật. Ánh sáng xanh góp phần hình thành chlorophyll, phát triển lục lạp. Do vậy, nếu kết hợp sử dụng đèn chiếu sáng chiếu đúng cường độ sáng cho từng loại cây, tăng các bước sóng với điều tiết thời gian chiếu sao cho phù hợp đặc tính quang chu kỳ của cây, chúng ta hoàn toàn có thể khống chế được thời điểm cây kết trái, ra hoa hay tạo ra sản phẩm trái vụ chất lượng cao.
Vật liệu huỳnh quang cho phát xạ ánh sáng đỏ thường được pha tạp ion Eu3+ trên các chất nền chứa yttrium (Y) với thành phần đến 60% hỗn hợp bột. Vật liệu phát ánh sáng xanh lam là vật liệu pha tạp Eu2+ với chất nền được biết đến là hệ BAM (BaMgAl10On:Eu) hay dạng bột photphat như Si5(PO4)3(F,Cl):Eu. Trong nghiên cứu này chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng đỏ, xanh/đỏ (B/R) tới sự sinh trưởng của thực vật trong nuôi cấy mô (in vitro) từ các vật liệu huỳnh quang tổng hợp được.

Thực nghiệp
1. Hóa chất
Các hóa chất phân tích Y2O3 (99,99%, A.R), Eu2O3 (99,99%, A.R), axit HNO3 (65% – A.R), Al(NO3)3.9H2O(98,5% – A.R); MgO (98% – A.R) Ba(NO3)2 (99%) và dung dịch NH3.H2O (25% – A.R) được dùng trực tiếp, không cần qua khâu xử lý nào. Các hóa chất được chuẩn bị thích hợp để tổng hợp mẫu (Y0.93Eu0.07)2O3 và Ba0.9Eu0.1MgAl10O17 (BAM).

2. Chuẩn bị mẫu
Bột huỳnh quang màu đỏ Y2Ũ3:Eu. Bột europi oxit được hòa tan trong dung dịch Axit Nitric 68% và bột Yttri Oxit được phân tán trong nước tách ion . Trộn hai hỗn hợp vào nhau, khuấy đều. Sử dụng dung dịch Ammoniac làm tác nhân kết tủa và điều chỉnh độ pH sao cho kết tủa hoàn toàn (pH ~ 8-9). Các phương trình phản ứng trong suốt quá trình tổng hợp là: EU2O3 + 3HNO3^ Eu(NO3)3 + 3H2O
Trộn hai dung dịch, ta được hỗn hợp dung dịch gồm muối Eu(NO3)3 và các hạt bột Y2O3. Khi tiến hành kết tủa dung dịch bằng NH4OH thì Eu(NO3)3 kết tủa thành Eu(OH)3 trên các hạt bột Y2O3 theo phản ứng: Eu(NO3)3 + NH4OH ^ Eu(OH)3 + NH4NO3
Kết tủa sau phản ứng được lọc rửa và sấy sơ bộ bằng tủ sấy tại nhiệt độ 200 °C trong 2 giờ. Mẫu khô sẽ được nung trong điều kiện không khí ở nhiệt độ 1300°C trong 3 giờ.
Bột huỳnh quang màu xanh BAM Quy trình tổng hợp bột xanh lam B AM được trình bày như Hình 1.
KHCN-01001Cấu trúc tinh thể của các sản phẩm được đo trên máy Philip Xpert Pro XRD diffractometer (điện áp 35 kV, 40 mA, ẰcuKai = 1.540560 A, 20 = 20 – 70, step = 0.03), phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang được đo trên máy Yobin-Nanolog với nguồn kích thích đèn Xenon bước sóng 254 nm tại nhiệt độ phòng.

Kết quả và thảo luận
1. Giản đồ nhiễu xạ tia X

Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Y2Ũ3:Eu nung ở 1300°C trong 3 giờ
Hình 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Y2Ũ3:Eu nung ở 1300°C trong 3 giờ

Hình 2 là kết quả phân tích cấu trúc bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X (XRD) đối với mẫu (Yo,93Euo,o7)2O3. Các kết quả chỉ ra rằng khi pha tạp ion Eu3+ với hàm lượng pha tạp 7% về số mol, mẫu thu được là đơm pha với các pic đặc trưng của mạng nền (các đỉnh nhiễu xạ tại các vị trí 20,43; 29,25; 33,8; 35,84; 48,52; 57,49 tươmg ứng các chỉ số mặt (211), (222), (400), (411), (440) và (622) của mạng nền Y2O3 (JCPDS Card số 72-0927) . Không có sự xuất hiện các pic đặc trưng của ion pha tạp chứng tỏ rằng với hàm lượng pha tạp kể trên, Eu 3+ đã đi vào mạng tinh thể của mạng nền và thế một phần vào vị trí của Y3+. Pic đặc trưng của mạng nền với cường độ nhiễu xạ lớn nhất thu được ở 20 « 290 tương ứng chỉ số mặt Miller (222). Đỉnh nhiễu xạ hẹp và sắc nét của mẫu chứng tỏ kích thước các hạt bột chế tạo bằng phương pháp này kết tinh tốt và có kích thước hạt khá lớn.

Hình 3. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu BAM:Eu2+ nung ở 1100°C trong 2 giờ
Hình 3. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu BAM:Eu2+ nung ở 1100°C trong 2 giờ

Hình 3 là giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu BAM:Eu2+ nung ở 1100°C trong 2 giờ. Kết quả cho thấy mẫu thu được là đơn pha với cấu trúc lục giác đặc trưng.

2. Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang
Để đánh giá chất lượng tinh thể cũng như khả năng ứng dụng quang học của vật liệu, chúng tôi khảo sát phổ huỳnh quang (PL) và kích thích huỳnh quang (PLE) của mẫu bột thu được. Kết quả được trình bày tại Hình 4-6.

Hình 4. Phổ huỳnh quang PL mâu Y2Ũ3:Eu dưới bước sóng 254 nm
Hình 4. Phổ huỳnh quang PL mâu Y2Ũ3:Eu dưới bước sóng 254 nm
Hình 5. Phổ kích thích huỳnh quang (PLE) dưới bước sóng 611 nm
Hình 5. Phổ kích thích huỳnh quang (PLE) dưới bước sóng 611 nm
Hình 6. Phổ huỳnh quang PL mẫu BAM:Eu2+ dưới bước sóng 254 nm
Hình 6. Phổ huỳnh quang PL mẫu BAM:Eu2+ dưới bước sóng 254 nm

Dưới ánh sáng kích thích của đèn Xenon với bước sóng 254 nm ở nhiệt độ phòng, phổ PL của mẫu Y2O3:Eu nhận được trong vùng bước sóng 570 – 730 nm gồm 5 dải phổ đặc trưng của ion Eu3+ tương ứng bước chuyển năng lượng từ trạng thái kích thích 5D0 về mức 7Fj( j = 0,1,2,3,4) trong cấu hình 4I6 của ion Eu3+. Các đỉnh phát xạ thu được ở bước sóng X = 591, 611 và 632 nm tương ứng bước nhảy 5D0 ->7Fi, 5D0 ->7F2, 5Do ->7F3 trong vùng cam – đỏ với cường độ đỉnh 611 nm . Kết quả này hoàn toàn phù hợp các công bố trước đó của các tác giả.
Phổ PLE dưới bước sóng phát xạ 611nm của mẫu Y2Ơ3:Eu nhận được gồm hai dải sóng trong vùng 300 – 480 nm với cường độ đỉnh phát xạ ở các bước sóng 393 nm (~3.1 eV) và 465 nm (~2.67 eV) do tương tác của Eu – O gây nên. Như đã biết, trạng thái kích thích của ion Eu3+ là do quá trình chuyển đổi điện tích (charge transfer state – CTS) liên quan mức độ ổn định của các electron xung quanh ion O2. Vị trí của các pic phát xạ này phụ thuộc bản chất của các electron xung quanh ion O2- này. Trong mạng lưới tinh thể, thông thường các ion O2- được làm nên bởi điện tích dương xung quanh. Nếu vì lý do nào đó, các ion O2- mất đi độ bền của nó thì vùng CTS sẽ bị dịch về vùng có năng lượng thấp hơn.

Các kết quả về phổ huỳnh quang của mẫu BAM:Eu nung ở 1100 °C trong 2 giờ được chỉ ra trên hình 5. Kết quả chỉ ra rằng tồn tại một đỉnh cực đại tại bước sóng 445 nm tương ứng bước nhảy điện tử 4f65d – 4Í7 của ion Eu2+.

3. Một sổ kết quả thử nghiệm
Nghiên cứu sử dụng bộ đèn 2 bóng huỳnh quang thông thường (HQ T10 – 40W), cường độ bức xạ quang hợp 20 – 25 |umol m-2s-1, chấn lưu sắt từ của Công ty CP Bóng đèn Phích nước Rạng Đông làm đèn đối chứng. Bộ đèn này sẽ được so sánh với bộ đèn huỳnh quang cải tiến 1 bóng T8-36W sử dụng lớp bột huỳnh quang đỏ và xanh tổng hợp được trong quá trình nuôi cấy mô. Nghiên cứu được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ phòng nuôi 25°C+2 trong bình trụ nút bông. Các mẫu được bố trí ngẫu nhiên, nhắc lại 10 mẫu/công thức và được quan sát định kỳ mỗi tuần một lần. Các chỉ tiêu đo: chiều cao cây, số lá, số chồi, tỷ lệ mẫu tạo rễ.
Kết quả thí nghiệm trên cây khoai tây nuôi cấy trong 4 tuần cho thấy: Khi sử dụng đèn chuyên dụng T8, sự trưởng thành chiều cao của cây không có sự sai khác c ngh a thống kê nhưng chiều dài lá và số lượng lá tăng 2 đến 2,5 lần so với công thức đối chứng. Màu sắc của lá trong mẫu đèn chuyên dụng cũng đậm hơn, chứng tỏ cây nhận được “nhiều” lượng sáng hơn cho quá trình sinh trưởng.
Nghiên cứu sử dụng bộ đèn 2 bóng huỳnh quang thông thường (HQ T10 – 40W), cường độ bức xạ quang hợp 20 – 25 |amol m-2s-1, chấn lưu sắt từ của công ty CP Bóng đèn Phích nước Rạng Đông làm đèn đối chứng Bộ đèn này sẽ được so sánh với bộ đèn huỳnh quang cải tiến 1 bóng T8-36W sử dụng lớp bột huỳnh quang đỏ và xanh tổng hợp được trong quá trình nuôi cấy mô. Nghiên cứu được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ phòng nuô i 250C+2 trong bình trụ nút bông. Các mẫu được bố trí ngẫu nhiên, nhắc lại 10 mẫu/công thức và được quan sát định kỳ 1 tuần/lần. Các chỉ tiêu: chiều cao cây, số lá, số chồi, tỷ lệ mẫu tạo ra.

Hình 7. Phổ phát quang của mẫu đèn (a) T10-40W thông thường và (b) đèn T8- 36W sử dụng bột phát quang xanh và đỏ tổng hợp được
Hình 7. Phổ phát quang của mẫu đèn (a) T10-40W thông thường và (b) đèn T8- 36W sử dụng bột phát quang xanh và đỏ tổng hợp được

Kết quả thử nghiệm trên cây khoai tây nuôi cấy trong 4 tuần cho thấy, khi sử dụng đèn chuyên dụng T8, sự trưởng thành chiều cao của cây không có sự sai khác c ngh a thống k nhưng chiều dài lá và số lượng lá tăng 2 đến 2,5 lần so với công thức đối chứng. Màu sắc cúa lá trong mẫu đèn chuyên dụng cũng đậm hơn, chứng tỏ cây nhận được lượng sáng nhiều hơn cho quá trình sinh trưởng, phát triển.
Trong giai đoạn nhân nhanh, chỉ tiêu về số nhân chồi là rất quan trọng. Cây trong công thức đối chứng đạt 18,23 chồi/mẫu, trong khi cây trong công thức chuyên dụng đạt 17,03 chồi/mẫu (theo phân tích phương sai một nhân tố, phân tích hậu ki ểm Fisher’s với P < 0,05)

Hình 8. Kết quả thử nghiệm sau 4 tuần nuôi cấy mô.
Hình 8. Kết quả thử nghiệm sau 4 tuần nuôi cấy mô.

Kết luận
– Đã tổng hợp thành công vât liệu Y2O3:Eu3+7% mol đơm pha bằng phương pháp khuếch tán bề mặt và vật liệu BAM:Eu2+ 10% phát xạ ánh sáng xanh lam. Phổ huỳnh quang cho thấy bột Y2O3:Eu có cường độ đỉnh tại bước sóng 611 nm tương ứng vùng đỏ cam và bột BALM:EU cho cườmg độ đỉnh tại bước sóng 445 nm tương ứng màu xanh lam. Các phổ sóng này hoàn toàn phù hợp dải bước sóng ánh sáng hấp thụ của cây trồng nên thích hợp làm đèn chiếu sáng nông nghiệp
Kết quả thử nghiệm in vitro trên cây khoai tây với hai thiết bị chiếu sáng cho thấy, đèn huỳnh quang thường cho hệ số chồi nhiều hơn nhưng chiều dài lá, độ dày lá, số lá và màu sắc của lá ở đèn nông nghiệp chuyên dụng cao hơn hẳn, chứng tỏ cây đã hấp thụ tốt hơn nguồn ánh sáng.

Diệu Thư – Thành Huy – Quang Trung – Đại Lâm – Xuân Anh

Tài liệu tham khảo
*J.K.Park,K.J.Choi, H.D.Park, S.Y. Choi. Electrochem. Solid-State Lett. 7, 15 – 17,
2004.
* N. Lakshminarasimhan, U.V. Varadaraju, J. Electrochem. Soc. 152, 152 – 156,
2005.
* Z. Yongqing, Y. Zihua, D. Shiwen, Q. Mande, and Z. Jian, Mater. Lett., vol. 57, no. 19, pp. 2901-2906, 2003.
* W.J. Park, S.G. Yoon, D.H. Yoon, J. Electroceramics, Vol. 17, Issue 1, pp. 41-44,
2006.
* D. Kumar, M. Sharma, and O. P. Pandey, Opt. Mater. (Amst)., vol. 36, no. 7, pp. 1131-1138, 2014.
* M. Zhang, X. Li, Z. Wang, Q. Hu, and H. Guo, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, vol. 20, no. 1, pp. 115-118, 2010.
* S. J. Dhoble, I. M. Nagpure, J. G. Mahakhode, S. V. Godbole, M. K. Bhide, and S.
Moharil, Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms, vol. 266, no. 15, pp. 3437-3442.