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微量金奈米粒子的合成及鑑定

實驗介紹

本實驗是利用檸檬酸納（Na₃C₆H₅O₇）為還原劑，還原四氯金酸（HAuCl₄）的金離子為金屬金，用檸檬酸納當作分散劑製得金奈米粒子，並應用廷得耳效應（Tyndall effect）和繞射作用（diffraction）等來鑑定合成的奈米級金粒子。本次微量實驗直接使用未用過的小玻璃瓶含鐵夫龍蓋和PE滴管。再者，裝在小玻璃瓶內未用完的金奈米粒子溶液可以帶回家永久保存。

實驗原理

一、  奈米材料

奈米的英文全名是nanometer，簡寫為nm，它與微米（μm）同樣是長度的單位。1微米等於10^－6公尺，我們小時候使用的痱子粉，它的直徑大約是1微米。而1個奈米就等於1微米的一千分之一，也就是10^－9公尺。所以奈米就是一粒痱子粉再平分成一千份，而此時我們就必須要藉助於電子顯微鏡了才能看到它們了！科學家們也從這麼小的粉粒中，發現許多有趣及豐富的性質。因此，接下來就讓我們來談談什麼是「奈米材料」吧！「奈米材料」就是專指奈米大小的材料，也就是介於1~100 nm之間的微小物質所組成的材料。說得更詳細一點就是，任何材料的尺寸，在三個維度中，至少一個維度的長度是奈米級，就稱之為「奈米材料」。

由於奈米材料的小尺寸，出現了兩個基本特徵：(1)表面原子數激增 ─ 也就是說表面積對體積的比例大增，而許多材料的性質與裸露在材料表面上的原子數有直接的關係。例如，非均相催化性質，要求反應物有效地吸附在催化劑的表面上以利催化反應的進行，若此時催化劑為奈米的形式，而奈米所擁有的巨大表面積就能有效地能協助反應物的吸附以提升催化效果。(2)量子效應─ 這個量化的現象不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。對奈米材料而言，當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時，其能量狀態的分布由連續轉變為量化的狀態，繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。

科學家發現將不同粒徑的半導體奈米粒子的價電子以照光的方式激發至導帶後，該價電子會自發性的將能量以光的形式釋放而會到穩定的價帶，而因為不同的粒徑具有不同的能隙大小，因此我們便可以利用此特性製造出不同的奈米半導體，進而得到它們所釋放出之不同顏色的光。

以光學特性為例，「黃金」是金屬材料中相當著名得成份，但如果將黃金研磨到超微細的程度，這個黃金色澤便完全消失，紅色隨即呈現出來。奈米金粒子呈現紅色之原因是奈米金粒子吸收可見光（400 nm~700 nm）中500 nm波長附近的藍光與綠光並與其發生作用，使得金奈米粒子的自由電子雲被極化，隨著光波的頻率震盪，即表面電漿子（surface plasmon），或是表面電漿極化激子（surface plasmon polariton）。在此過程中特定頻率的電磁輻射與表面電漿子作用而被吸收或散射，這種共振現象通常稱為表面電漿子共振。

(-)代表檸檬酸根離子由檸檬酸鈉在水中解離後形成，其結構如下所示

(+)代表鈉離子由檸檬酸鈉在水中解離後形成，如下所示

圖一奈米粒子電漿子共振（particle plasmon resonance）的示意圖

金奈米粒子的共振頻率與其粒徑大小相關，這種現象又稱粒子電漿子共振（particle plasmon resonance）。而金奈米粒子已經被利用在很多方面，例如與生化分子結合而應用於檢測的技術。最被大眾熟知的例子便是提供驗孕片的呈色之用。

二、  金奈米粒子的合成

本實驗以檸檬酸納為還原劑，還原四氯金酸成為金奈米粒子，如反應式[1]所示。

由於均一大小之金奈米粒子之合成環境條件要求高，因此正規合成金奈米粒子的所有實驗器皿必須以王水浸潤洗淨表面；王水必須完全被沖洗乾淨不得殘留。配置藥品也需要使用超純水（電阻值大於15M），並且檸檬酸鈉與四氯金酸反應時，要持續均勻加熱及攪拌以使粒徑均一。本次微量實驗直接使用未用過的3 mL的小玻璃瓶含鐵夫龍蓋（glass vial with Teflon cap）和PE滴管。再者，裝在小玻璃瓶內未用完的金奈米粒子溶液可以帶回家永久保存。

三、  金奈米粒子的鑑定

1. 電子顯微鏡影像

利用穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscopy(TEM)），照射金奈米粒子，取得影像如圖二所示。

圖二 金奈米粒子的電子顯微鏡影像圖

圖片來源（左）：MIT News, http://web.mit.edu/newsoffice/2010/sticky-nanoparticles-0611.html

圖片來源（右）：Structured Gold Nanoparticles, http://bit.bme.jhu.edu/Nanoparticles.html?selected=5

1. 廷得耳效應（Tyndall Effect）

當一束光線透過膠體，從入射光的垂直方向可以觀察到膠體裡出現的一條光亮的「通路」，這種現象叫做廷得耳效應（Tyndall effect）。在光的傳播過程中，光線照射到粒子時，如果粒子大於入射光波長很多倍，則發生光的反射；如果粒子小於入射光波長，則發生光的散射，這時觀察到的是光波環繞微粒而向其四周放射的光，稱為散射光。

廷得耳效應就是光的散射現象。由於溶膠粒子大小不超過100 nm，膠體粒子（colloidal particles）介於溶液中溶質體子和懸浮液粒子之間，其大小在1～100 nm，小於可見光波長（400～700 nm），因此，當可見光透過溶膠時會產生明顯的散射作用。而對於真溶液（true solution），雖然分子或離子更小，但是因散射光的強度隨散射粒子體積的減小而明顯減弱，因此，真溶液對光的散射作用很微弱。此外，散射光的強度還隨分散體系中粒子濃度增大而增強。

膠體溶液（colloidal solution）為大量微小粒子（直徑為10^-9~10^-7 m或1～100 nm）分散在氣體、液體與固體中所構成的物質。因此，膠體溶液有廷得耳現象，而真溶液幾乎沒有，可以採用廷得耳現象來區分膠體和溶液。我們使用雷射筆照射四氯金酸溶液和金奈米粒子溶液，檢查此二溶液是否為膠體溶液。

1. 繞射作用（Diffraction）

繞射是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。在古典物理學中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物後會發生不同程度的彎散傳播。假設將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會有光亮區域與陰晦區域出現於觀察屏，而且這些區域的邊界並不銳利，是一種明暗相間的複雜圖樣。這現象稱為繞射，當波在其傳播路徑上遇到障礙物時，都有可能發生這種現象。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產生肉眼可見的繞射現象，其他類型的電磁波（例如X射線和無線電波等）也能夠發生繞射。由於原子尺度的實際物體具有類似波的性質，它們也會表現出繞射現象，可以通過量子力學進行研究其性質。

圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/繞射

1. 聚集和稳定（Aggregation and Stabilization）

檸檬酸鈉在水中會解離出檸檬酸根離子，並帶負電荷。當檸檬酸鈉的含量增加時，帶有負電荷粒子的含量也增加。在此環境下，金奈米粒子外圍會更容易被帶有負電荷的粒子包覆而形成一層負電荷層，使得金奈米粒子間更容易發生排斥而不易相互吸引，導致形成粒徑較小的金奈米粒子。

在水溶液中的金奈米粒子能穩定形成的原因，是外圍有一層由檸檬酸根離子所組成的負電荷層，因此若加入食鹽水溶液時，就會因為鹽類解離產生的離子與能檬酸根離子發生作用，進而造成此負電荷層遭受破壞，使得溶液中的奈米金粒子相互凝聚而沉澱析出。

1. 可見光譜（Visible Spectrum）

透過UV-Visible spectrometer，測定你製備的奈米金粒子之吸收光譜。然後，找到最大吸收光譜，進而得知你製備的奈米金粒子直徑大小。

圖片來源：Gold Nanoparticles: Optical Properties, http://nanocomposix.com/kb/gold/optical-properties

實驗步驟

一、  藥品和器材

The following chemicals and equipments are needed for each student/group to perform this microscale experiment, in addition to a 100.0-mL volumetric flask, three 100-mL Erlenmeyer flasks equipped with silicone rubber stoppers and two spectrophotometers, which are intended for a whole class.

l   Forty drops (2.0 mL) of 1.0 mM chloroauric acid(HAuCl₄)

l   Ten drops (0.50 mL) of 34.0 mM sodium citrate(Na₃C₆H₅O₇)

l   Two drops of 0.3% poly(vinylpyrrolidone) (PVP)

l   Four disposal Pasteur pipettes (LDPE) (Any pipettes must not be used before.)

l   One 3-mL glass vial with Teflon cap (This vial must not be used before.)

l   One hot plate with a magnetic stirrer and one100-mL beaker containing half full of tap water

l   Quarter sheets of A4-size white paper and a little white wax

l   A few granular sodium chloride (NaCl)

l   One 1.5-mL disposable plastic cuvette and about 5-mL of distilled water

l   One red light laser pointer for detecting Tyndall effect

二、  配製溶液

The instructor/TA needs to prepare the followings:

l   100.0 mL of 1.0 mM HAuCl₄: place 0.041 g of hydrogen tetrachloroaurate(III) tetrahydrate (HAuCl₄·4H₂O, molar mass 411.85 g/mol) in a 100.0 mL of volumetric flask. Add distilled water to the flask, using a funnel or wash bottle, until the level reaches the calibration mark of the flask and mix it thoroughly. This solution is enough for either 50 experiments or one experiment for 50 students/groups. The solid HAuCl₄·4H₂O with minimum 99% assay is available from Chowa Chemicals Inc, Japan.

l   100.0 mL of 34.0 mM Na₃C₆H₅O₇: place 1.0 g of sodium citrate dehydrate (Na₃C₆H₅O₇·2H₂O, molar mass 294.10 g/mol) in a 100.0 mL of volumetric flask. Add distilled water to the flask, using a funnel or wash bottle, until the level reaches the calibration mark of the flask and mix it thoroughly.

l   100 mL of about 0.3% PVP:dissolve about 0.3 g of PVP (average molar mass 40,000 g/mol) in 100 mL of distilled water in a 100 mL of Erlenmeyer flask. Tightly plug the flask with a rubber stopper and mix the solution thoroughly.

三、  金奈米粒子的合成

With a clean Pasteur pipette, add 40 drops (2.0 mL) of 1.0 mM HAuCl₄ and 10 drops (0.50 mL) of 34.0 mM Na₃C₆H₅O₇ into a 3-mL vial which is not need to clean and directly to use. Close the cap tightly. Place the sealed vial to the a half full of boiling water in a small beaker. Heat the solution until it shows a deep red color (about 10 min). Remove the vial from the beaker. Allow it to cool.

四、  金奈米粒子的鑑定

Tyndall effect:Irradiate the remaining solution in original vial using a laser pointer.

The diffraction: Dropwise 2-3 of drops of gold nanoparticle solution onto a clean glass plate. Place the plate on a hot plate. Remove the glass plate from the hot plate until the solution is heated to dry. Irradiate the dried gold nanoparticle using a laser pointer to diffract on a white wall and observe the diffraction of gold nanoparticle.

The aggregation and stabilization:Placing only 2 × 2 drops of gold nanoparticle solution on quarter sheets of white paper coated with a layer of wax to form two liquid balls are sufficient in the comparison of color change by adding a few granules ofsodium chloride to a ball.

Visible spectrum:Pouring only 15 drops of gold nanoparticle solution into a 1.5-mL disposable plastic cuvette and two-fold dilution was practicable.

五、  金奈米粒子的穩定

To preserve AuNPs under stable conditions, put the diluted solution in the cuvette into the original vial. Put two drops of0.3% PVP solution into it. Cover the cap tightly and shake the mixture uniformly. You can permanently preserve in the vial the AuNPs solution you synthesized.

實驗結果和記錄

u  請以文字描述並插入照片和圖片加以說明。

一、  金奈米粒子的合成

二、  金奈米粒子的鑑定

1. Tyndall Effect

1. The Diffraction

1. The aggregation and Stabilization

1. VisibleSpectrum
   （請插入Excel檔的數據表和吸收光譜圖，找出最大吸收波長和金奈米粒子大小）

最大吸收波長尖峰在520nm處金奈米粒子大小為13nm

三金奈米粒子的穩定

加入PVP後以蒸餾水裝滿

回答問題

1. 為什麼本次實驗不必使用超純水且所有的器具皆不須使用王水洗淨後才能使用？

答：這次藥品轉移次數不多且容器皆為乾淨的。

1. 為何可以利用廷得耳效應來檢測金奈米粒子溶液？

答：膠體溶液的要求可以確定粒子的大小是否在要求範圍內。

1. 為何可以利用繞射作用來檢測金奈米粒子？

答：金粒子的直徑必須夠小才能使雷射產生繞射。

1. 為何金奈米粒子溶液加入食鹽水溶液後有黑色沉澱物出現？

答：水溶液中有穩定的由檸檬酸根離子組成的負電荷， 可以使金奈米粒子排斥，所以加入NaCl，Na⁺使它聚集沉澱。

1. 若我們想控制奈米金粒子的粒徑大小，則實驗條件應該怎麼操作呢？並說明原因。

答：藉由調整成晶核的量可以控制大小，而晶核可以由加入的檸檬酸鈉量來控制。

心得和感想

1. 在「金奈米粒子合成和鑑定」方面

u  以逐條方式寫出你的心得（由心領悟的獲得，包括知識、技能和技術）

1. 加熱奈米金溶液時，瓶蓋要鎖緊(注:有人發生悲劇了)。
2. 奈米金是紅色的。

u  以逐條方式寫出你的感想（包括感想、檢討、意見和想法）

1. 深紅色很好看，但做實驗的時候大概沒講會猜不出來是金吧。
2. 奈米金原來可以保存這麼久。
3. 用Tyndall Effect做實驗的時候，看不清楚。
4. 在「微量實驗」方面

u  以逐條方式寫出你的心得（由心領悟的獲得，包括知識、技能和技術）

1. 滴管以垂直且不與杯壁碰觸時，液滴會比較大顆。

u  以逐條方式寫出你的感想（包括感想、檢討、意見和想法）

1. 加熱要注意不能升溫太快或不均勻。

（「第二個實驗：微量銀奈米粒子的合成及鑑定」在下面）

第二個實驗：微量銀奈米粒子的合成及鑑定

實驗介紹

本實驗的目的是透過化學方法來合成銀奈米粒子，利用氫硼化鈉當作還原劑，還原銀離子為銀金屬，並利用安定劑穩定銀奈米粒子。本實驗應用廷得耳效應（Tyndall effect）以雷射筆照射的散射現象和其他方法來鑑定銀奈米粒子

實驗原理

一、  奈米材料

奈米的英文全名是nanometer，簡寫為nm，它與微米（μm）同樣是長度的單位。1微米等於10^－6公尺，我們小時候使用的痱子粉，它的直徑大約是1微米。而1個奈米就等於1微米的一千分之一，也就是10^－9公尺。所以奈米就是一粒痱子粉再平分成一千份，而此時我們就必須要藉助於電子顯微鏡了才能看到它們了！科學家們也從這麼小的粉粒中，發現許多有趣及豐富的性質。因此，接下來就讓我們來談談什麼是「奈米材料」吧！「奈米材料」就是專指奈米大小的材料，也就是介於1~100 nm之間的微小物質所組成的材料。說得更詳細一點就是，任何材料的尺寸，在三個維度中，至少一個維度的長度是奈米級，就稱之為「奈米材料」。

由於奈米材料的小尺寸，出現了兩個基本特徵：(1)表面原子數激增 ─ 也就是說表面積對體積的比例大增，而許多材料的性質與裸露在材料表面上的原子數有直接的關係。例如，非均相催化性質，要求反應物有效地吸附在催化劑的表面上以利催化反應的進行，若此時催化劑為奈米的形式，而奈米所擁有的巨大表面積就能有效地能協助反應物的吸附以提升催化效果。(2)量子效應─ 這個量化的現象不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。對奈米材料而言，當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時，其能量狀態的分布由連續轉變為量化的狀態，繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。

科學家發現將不同粒徑的半導體奈米粒子的價電子以照光的方式激發至導帶後，該價電子會自發性的將能量以光的形式釋放而會到穩定的價帶，而因為不同的粒徑具有不同的能隙大小，因此我們便可以利用此特性製造出不同的奈米半導體，進而得到它們所釋放出之不同顏色的光。

金屬銀的化學性質穩定，表面不易氧化，而能常保有銀白色的金屬光澤，具有優良的導熱性和導電性。以銀奈米粒子的光學特性為例，當肉眼可見的金屬銀研磨成奈米級的大小後，其顏色由本來的銀白色轉變成鮮黃色。此現象的成因是各種金屬奈米粒子都會與特定的電磁輻射作用，使奈米粒子的自由電子被極化，隨著光波震盪，此現象又被稱為表面電漿子共振。各種金屬奈米粒子都會具有其特定的吸收光譜帶，而銀奈米粒子的特定吸收波帶大約在410 nm，此波長是銀奈米粒子吸收可見光譜範圍的光，使得我們看到其互補色的黃光。

二、  銀奈米粒子的合成

目前銀奈米粒子合成有多種的化學方法。通常，這些方法涉及銀離子的還原成金屬銀，例如硝酸銀（silver nitrate）在膠體的穩定劑中用還原劑（如硼氫化鈉，sodium borohydride）還原銀奈米粒子。使用鈉硼氫化物可以與聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、聚乙烯基吡咯烷酮（poly(vinylpyrrolidone), PVP）、牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA），檸檬酸根（citrate）或纖維素（cellulose）作為穩定劑。在還原的過程中，BSA中含硫、氧和氮的官能基能夠降低銀奈米粒子的高表面能。在纖維素上的羥基能夠幫助穩定銀奈米粒子。檸檬酸和纖維素也可以當作還原劑，單獨地被使用來合成銀奈米粒子。

本實驗的銀奈米粒子合成是透過加入過量的氫硼話鈉（NaBH₄）溶液至硝酸銀（AgNO₃）溶液，如反應式[1]所示。

2AgNO₃(aq)+ 2NaBH₄(aq) → H₂(g) + B₂H₆ (aq)+ 2NaNO₃(aq) + 2Ag(s)   [1]

（還原劑）                           （銀奈米粒子）

在合成銀奈米粒子的過程中，最重要的關鍵在於如何避免金屬微粒繼續長大，或者因彼此凝聚而變大，其中有不少的化學技巧可以使用，尤其是各種穩定劑的應用，穩定劑會吸附在微粒的表面上，抑制銀奈米粒子的凝聚。有些穩定劑會選擇性地吸附在特定的晶面上，使得長出來的銀微粒具有特定的形狀，例如球形、三角形、絲狀或四方形的晶體，如圖一所示。

圖一銀奈米粒子的四種型態：球形銀（左上）、三角形銀（右上）、銀絲（左下）和方塊銀（右下）。

圖片來源：科學發展，http://web1.nsc.gov.tw/public/Data/popsc/2006_142/32-39.pdf

本微量實驗直接使用未用過的3 mL的小玻璃瓶含鐵夫龍蓋（glass vial with Teflon cap）和PE滴管。再者，裝在小玻璃瓶內未用完的銀奈米粒子溶液可以帶回家永久保存。

三、  銀奈米粒子的鑑定

1. 電子顯微鏡影像

利用穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscopy(TEM)），照射銀奈米粒子，取得影像如圖一所示。

1. 廷得耳效應（Tyndall Effect）

當一束光線透過膠體，從入射光的垂直方向可以觀察到膠體裡出現的一條光亮的「通路」，這種現象叫做廷得耳效應（Tyndall effect）。在光的傳播過程中，光線照射到粒子時，如果粒子大於入射光波長很多倍，則發生光的反射；如果粒子小於入射光波長，則發生光的散射，這時觀察到的是光波環繞微粒而向其四周放射的光，稱為散射光。

廷得耳效應就是光的散射現象。由於溶膠粒子大小不超過100 nm，膠體粒子（colloidal particles）介於溶液中溶質體子和懸浮液粒子之間，其大小在1～100 nm，小於可見光波長（400～700 nm），因此，當可見光透過溶膠時會產生明顯的散射作用。而對於真溶液（true solution），雖然分子或離子更小，但是因散射光的強度隨散射粒子體積的減小而明顯減弱，因此，真溶液對光的散射作用很微弱。此外，散射光的強度還隨分散體系中粒子濃度增大而增強。

膠體溶液（colloidal solution）為大量微小粒子（直徑為10^-9~10^-7 m或1～100 nm）分散在氣體、液體與固體中所構成的物質。因此，膠體溶液有廷得耳現象，而真溶液幾乎沒有，可以採用廷得耳現象來區分膠體和溶液。我們使用雷射筆照射四氯金酸溶液和金奈米粒子溶液，檢查此二溶液是否為膠體溶液。

1. 繞射作用（Diffraction）

繞射是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。在古典物理學中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物後會發生不同程度的彎散傳播。假設將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會有光亮區域與陰晦區域出現於觀察屏，而且這些區域的邊界並不銳利，是一種明暗相間的複雜圖樣。這現象稱為繞射，當波在其傳播路徑上遇到障礙物時，都有可能發生這種現象。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產生肉眼可見的繞射現象，其他類型的電磁波（例如X射線和無線電波等）也能夠發生繞射。由於原子尺度的實際物體具有類似波的性質，它們也會表現出繞射現象，可以通過量子力學進行研究其性質。

圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/繞射

1. 聚集和稳定（Aggregation and Stabilization）

檸檬酸鈉在水中會解離出檸檬酸根離子，並帶負電荷。當檸檬酸鈉的含量增加時，帶有負電荷粒子的含量也增加。在此環境下，金奈米粒子外圍會更容易被帶有負電荷的粒子包覆而形成一層負電荷層，使得金奈米粒子間更容易發生排斥而不易相互吸引，導致形成粒徑較小的金奈米粒子。

在水溶液中的金奈米粒子能穩定形成的原因，是外圍有一層由檸檬酸根離子所組成的負電荷層，因此若加入食鹽水溶液時，就會因為鹽類解離產生的離子與能檬酸根離子發生作用，進而造成此負電荷層遭受破壞，使得溶液中的奈米金粒子相互凝聚而沉澱析出。

1. 可見光譜（Visible Spectrum）

透過UV-Visible spectrometer，測定你製備的奈米金粒子之吸收光譜。然後，找到最大吸收光譜，進而得知你製備的奈米金粒子直徑大小。

圖片來源：Sliver Nanoparticles: Optical Properties, http://nanocomposix.com/kb/silver/optical-properties

銀奈米粒子最大吸收度的波長與其顆粒的大小之關係，如圖六所示。根據圖六的趨勢線，銀奈米粒子的顆粒越小，其最大吸收度的波長越短。若你合成銀奈米粒子的最大吸收度的波長為410 nm，則其顆粒大小為23 nm。

圖六銀奈米粒子的最大吸收波長與顆粒大小的關係

圖七為一張銀奈米粒子溶液的吸收光譜圖，其最大吸收度為1.57，其最大吸收度的一半為0.785（1.57/2），此吸收度與波峰有兩個交點，低波長之處在375 nm，高波長之處在436 nm，高波長與低波長之差即為PWHM，此吸收光譜的PWHM為436 nm – 375 nm = 61 nm。

圖七 吸收光譜的PWHM

實驗步驟

一、  藥品和器材

The following chemicals and equipments are needed for each student/group to perform this microscale experiment, in addition to a 100.0-mL volumetric flask, three 100-mL Erlenmeyer flasks equipped with silicone rubber stoppers and two spectrophotometers, which are intended for a whole class.

l   Ten drops (0.5 mL) of 0.0010 M Silver nitrate (AgNO₃)

l   Thirty drops (1.5 mL) of 0.0020 M sodium borohydride(NaBH₄ )

l   Two drops of 0.3% poly(vinylpyrrolidone) (PVP)

l   Four disposal Pasteur pipettes (LDPE) (Any pipettes must not be used before.)

l   One 3-mL glass vial with Teflon cap (This vial must not be used before.)

l   One hot plate with a magnetic stirrer and one100-mL beaker containing half full of tap water

l   Quarter sheets of A4-size white paper and a little white wax

l   A few granular sodium chloride (NaCl)

l   One 1.5-mL disposable plastic cuvette and about 5-mL of distilled water

l   One red light laser pointer for detecting Tyndall effect

二、  配製溶液

The instructor/TA needs to prepare the followings:

l   100.0 mL of 0.0010 M AgNO₃: Place 0.017 g of silver nitrate (AgNO₃, molar mass 169.87 g/mol) in a 100.0 mL of volumetric flask. Add distilled water to the flask, using a funnel or wash bottle, until until the level reaches the calibration mark of the flask and mix it thoroughly. This solution is enough for either 200 experiments or one experiment for 50 students/groups.

l   100.0 mL of 0.0020 M NaBH₄: Place 0.0076 g of sodium borohydride(NaBH₄, molar mass 37.83 g/mol) in a 100.0 mL of volumetric flask. Add distilled water to the flask, using a funnel or wash bottle, until the level reaches the calibration mark of the flask and mix it thoroughly.

l   100 mL of about 0.3% PVP:dissolve about 0.3 g of PVP (average molar mass 40,000 g/mol) in 100 mL of distilled water in a 100 mL of Erlenmeyer flask. Tightly plug the flask with a rubber stopper and mix the solution thoroughly.

三、  銀奈米粒子的合成

With clean droppers, pour freshly prepared 30 drops (1.5 mL) of 0.0020 M NaBH₄ (sodium borohydride) into a 3-mL vial. Close the cap tightly. Place the vial in a small ice bath. Allow to cool. Open the vial and then add 10 drops (0.5 mL) of 0.0010 M AgNO₃ (silver nitrate) dropwise, about 1 drop per second. After all used up, the solution becomes a darker yellow.

四、  銀奈米粒子的鑑定

Tyndall effect: Irradiate the remaining solution in original vial using a laser pointer.

The diffraction: Dropwise 2-3 of drops of silver nanoparticle solution onto a clean glass plate. Place the plate on a hot plate. Remove the glass plate from the hot plate until the solution is heated to dry. Irradiate the dried silver nanoparticle using a laser pointer to diffract on a white wall and observe the diffraction of silver nanoparticle.

The aggregation and stabilization:Placing only 2 x 2 drops of the silver nanoparticle solution on a white paper coated with a layer of wax to form two tiny liquid balls are sufficient in the comparison of color change by adding granular sodium chloride to a ball.

The spectrum, pouring only 15 drops of silver nanoparticle solutioninto a 1.5-mL disposable plastic cuvette and two-fold dilution are practicable using a spectrophotometer.

五、  銀奈米粒子的穩定

To preserve silver nanoparticle solutionunder stable conditions, put the diluted solution in the cuvette into the original vial. Put two drops of0.3% PVP solution into it. Cover the cap tightly and shake the mixture uniformly. You can permanently preserve in the vial the silver nanoparticle solutionsolution you synthesized.

實驗結果和記錄

u  請以文字描述並插入照片和圖片加以說明。

一、  銀奈米粒子的合成

二、  銀奈米粒子的鑑定

1. Tyndall Effect

1. The Diffraction

1. The aggregation and Stabilization

1. VisibleSpectrum
   （請插入Excel檔的數據表和吸收光譜圖，找出最大吸收波長、銀奈米粒子大小和PWHM）

最大吸收波長尖峰在390nm處銀奈米粒子大小為22nm PWHM約為65nm

三、  銀奈米粒子的穩定

如同金，加入PVP後用蒸餾水加滿。

回答問題

1. 為什麼本次實驗所有的器具不需用洗滌液洗淨就可使用？

答：這次藥品轉移次數不多且容器皆為乾淨的。

1. 為何可以利用廷得耳效應來檢測銀奈米粒子溶液？

答：膠體溶液的要求可以確定粒子的大小是否在要求範圍內。

1. 為何可以利用繞射作用來檢測銀奈米粒子？

答：銀的直徑小到能使雷射產生繞射。

1. 為何銀奈米粒子溶液加入食鹽水溶液後有黑色沉澱物出現？

答：當銀奈米粒子聚集沉澱析出，容易就會變黑。而NaCl的Na會導致銀外圍不穩定。Na⁺ 離 子會和檸檬酸根離子作用。

1. 為何我們需使用新鮮配置的氫硼化鈉溶液做為還原劑？

答：氫硼化鈉溶液會與氧反應而產生硼酸鈉。當硼酸鈉解離出Na⁺離子，會吸收掉銀奈米粒子周圍的負電荷，降低排斥力，導致更大團的銀粒子。

NaBH₄ + 2O₂ → NaBO₂ + 2H₂O

1. 為何銀奈米粒子溶液先加入PVP溶液後再加入食鹽水，沒有黑色沉澱產生依舊維持亮黃色？

答：會變黑是因為帶正電荷離子的關係，PVP能把銀如氧化鋁一樣產生保護層。

心得和感想

1. 在「銀奈米粒子合成和鑑定」方面

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1. 其實這實驗不用太在乎加熱時間，溫度只要差不多，就可以做得很漂亮。
2. 冰水浴的時候，蓋子一定要鎖緊。

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1. 我覺得奈米銀的顏色真的很像尿(拿去做尿液檢查不知道會怎樣)。
2. 繞射還是不清楚。
3. 在「微量實驗」方面

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1. 原來是用王水來洗器具。
2. 相機要夠好才能好好記錄下來。

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1. 小瓶子好棒，日本製的!
2. 我們的照片好不清楚。