金奈米粒子之穩定性
原始設計者:彰師大
利用檸檬酸鈉水溶液經由化學反應，將金離子還原成金奈米粒子。一般來說，粒徑大小為13-nm的金奈米粒子因其表面電漿帶 （surface plasmon band）在波長518 nm處有吸收，在分散下會呈現肉眼可辨識的紅色溶液；當金奈米粒子因聚集而開始沉降時，金奈米粒子其表面電漿帶會有紅位移的情況產生，使溶液呈現紫色。
- 實驗材料：
試藥
| No. | 藥品名稱 | 濃度 | 一組的用量 |
|---|---|---|---|
| 1. | 四氯金酸 | 200 mM | 250 μL |
| 2. | 三鈉檸檬酸鹽 | 4 mM | 50 mL |
| 3. | 磷酸緩衝液 | 50 mM;pH 7.4 | 100 mL |
| 4. | 牛血清蛋白 | 0.625 μM | 50 mL |
| 5. | 氯化鈉 | 2 M | 50 mL |
儀器與材料
| No. | 器材名稱 | 規格 | 一組的器材數量 |
|---|---|---|---|
| 1. | 電磁加熱攪拌器 | 1 個 | |
| 2. | 雙頸圓底燒瓶 | 250 mL | 1 個 |
| 3. | 錐形瓶 | 125 mL | 1 個 |
| 4. | 冷凝迴流裝置 | 1 套 | |
| 5. | 磁攪拌子 | 2 cm | 1 個 |
| 6. | 量筒 | 100 mL | 1 個 |
| 7. | 吸量管 | 1；10 mL | 各1 個 |
| 8. | 燒杯 | 1 L | 1 個 |
| 9. | 麻布手套 | 1 雙 | |
| 10. | 塑膠瓶 | 100 mL | 4 個 |
| 11. | 樣品瓶 | 20 mL | 5 個 |
| 12. | 廣用夾 | 1 個 | |
| 13. | 三叉夾 | 1 個 | |
| 14. | 安全吸球 | 2 個 | |
| 15. | 長頸漏斗 | 1 個 | |
| 16. | 試管或小離心管 | 7個 | |
| 17. | 滴管 | 1支 | |
| 18. | 溶液滴瓶(眼藥水瓶) | 5個 |
現象說明
13-nm金奈米粒子之製備 金奈米粒子(gold nanoparticles, Au NPs)主要利用檸檬酸鹽還原金離子成金奈米粒子之現象而形成，此時未反應的檸檬酸根離子和其他帶負電產物，則會吸附在金奈米粒子的表面使粒子帶負電荷。在此情況下金奈米粒子之間藉由表面負電荷所產生的靜電排斥作用力，能使金奈米粒子個別穩定存在溶液中。
探究問題
- 2.1 思考金奈米粒子為何會均勻分散在水溶液中?
- 2.2 有哪些因素會讓金奈米粒子無法穩定存在於水溶液中?
- 2.3 如何分辨電解質和非電解質?
- 2.4 如何利用日常生活中實例解釋立體障礙效應?
實作項目
- 3.1 不同添加物對金奈米粒子穩定度(顏色)之影響
- 3.1.1 準備四個2 mL的離心管分別以簽字筆標上A1至 A4的編號。
- 3.1.2 參考下表依序於四個2 mL的離心管加入13 nm 金奈米粒子、蒸餾水、葡萄糖溶液、牛血清蛋白溶液以及氯化鈉溶液，並且均勻搖晃使其溶液均勻混合。
| 單位:100μL | A1 | A2 | A3 | A4 |
| 13 nm Au NPs | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 蒸餾水 | 17 | 15 | 15 | 15 |
| 葡萄糖溶液 | 0 | 2 | 0 | 0 |
| 牛血清蛋白 | 0 | 0 | 2 | 0 |
| 氯化鈉溶液 | 0 | 0 | 0 | 2 |
- 3.1.3 觀察四個2 mL的離心管的顏色變化。
- 3.1.4 實驗數據記錄
| A1 | A2 | A3 | A4 | |
| 溶液顏色 |
- 3.2 不同濃度牛血清蛋白質與金奈米粒子穩定度(顏色)之影響
- 3.2.1 準備金奈米粒子、牛血清蛋白、蒸餾水與緩衝溶液、氯化鈉溶液。
- 3.2.2 取10個1 mL離心管利用簽字筆或標籤紙標示A0、A1依序至A9記號，參考下表加入各種藥品，其順序為金奈米粒子、牛血清蛋白、蒸餾水、緩衝溶液。
- 3.2.3 將10個1 mL離心管均勻搖晃約10分鐘後，靜止20分鐘使其反應。
- 3.2.4 最後參考下表依序滴入氯化鈉溶液於此10個1 mL離心管中，並均勻搖晃，觀察其顏色變化。
| A0 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | A8 | A9 | |
| 金奈米粒子 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 牛血清蛋白 | 0 | 2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
| 蒸餾水 | 11 | 9 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 緩衝溶液 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 氯化鈉溶液 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
- 3.2.5 實驗數據記錄
| A0 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | A8 | A9 | |
| 溶液顏色 |
分析與結論
- 4.1 加入何種添加物會讓金奈米粒子顏色改變？為何？
- 4.2 在哪一個牛血清蛋白質濃度，金奈米粒子顏色仍維持原來顏色？為何？
- 4.3 影響金奈米粒子穩定性的主要原因?
教學目標與評量
- 5.1 能實際操作、記錄圖表 。
- 5.2 能分析數據圖所表現的結果 。
- 5.3 讓學生學習科學素養，即探究現象、提出假說、實驗證明假說，最後精緻化結果。
- 5.4 利用一連串實驗歸納出的結論，將所得結論應用在如何自行製備穩定性高之金奈米粒子溶液，讓學生能應用自己融會貫通的知識。
參考資料
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[2] Masson, J. F.; Yockell-Lelievre, H., Spectroscopic and Physical Characterization of Functionalized Au Nanoparticles: A Multiweek Experimental Project. J. Chem. Educ. 2014, 91 (10), 1557-1562.
[3] Sui, N.; Li, X.; Liu, M.; Xiao, H.; Jiang, Y.; Zhao, J.; Yu, W. W., Noble Metal Nanoparticles Synthesized by Chemical Reduction: Undergraduate Experiments for Nanomaterials. J. Lab. Chem. Educ. 2014, 2 (2), 28-32.
[4] McFarland, A. D.; Haynes, C. L.; Mirkin, C. A.; Van Duyne, R. P.; Godwin, H. A., Color my nanoworld. J. Chem. Educ. 2004, 81 (4), 544A.
[5] Lee, C. F.; You, P. Y.; Lin, Y. C.; Hsu, T. L.; Cheng, P. Y.; Wu, Y. X.; Tseng, C. S.; Chen, S. W.; Chang, H. P.; Lin, Y. W., Exploring the Stability of Gold Nanoparticles by Experimenting with Adsorption Interactions of Nanomaterials in an Undergraduate Lab. J. Chem. Educ. 2015, 92 (6), 1066-1070.
