奈米/團簇實驗課程設計與應用:金奈米粒子合成與感測教學實驗模組

曾彥達¹、周禮君²

國立中正大學化學暨生物化學系

¹[email protected]

²[email protected]

• 前言
  

奈米的英文是nanometer，意思為一公尺的十億分之一，通常以 nm表示。貴金屬奈米粒子是原子團簇的表現，目前奈米材料的主要產業應用發展有以下五個方面： (1)奈米陶瓷材料，增加陶瓷材料的可加工性；(2)奈米電子材料，以高面積來實現快速信息採集與處理能力； (3)奈米光電材料，提升現有光電轉換效率的提升； (4)化工領域，高效率催化劑以降低消耗； (5)奈米生物醫學材料，如DNA簡單快速檢測、蛋白質檢測等。本文實驗中即利用金奈米粒子對環境變化的靈敏度製造出感測元件。

本實驗所合成之金奈米粒子溶液為一種水相的膠體溶液 (colloidal solution)。回顧到中學普通化學，其中將溶液分類為三種：真溶液、膠體溶液與懸浮液；真溶液，其溶質粒徑最小且遠小於光波波長，因此呈現透明，例如淡的鹽水、糖水；而懸浮液，其溶質粒徑大且相當於或大於光波波長，因此通常可以看到懸浮物，例如茶湯、泥水。而膠體溶液的溶質粒徑既不大，也不小，介於前述的兩種溶液之間，並且具備有廷得耳效應 (Tyndall effect)，使用雷射筆照射時，可以看到膠體微粒因光散射而形成光的「路徑」，例如豆漿或牛奶。

        分辨三種溶液時，可以透過濾紙將其過濾：懸浮液顆粒大，透過濾紙即可將溶質自溶液中分離。而真溶液則無法透過濾紙將溶質分離。膠體溶液一般狀態下粒徑過小，無法利用濾紙將其分離。不過金屬奈米膠體粒子是帶有電荷的微小顆粒，透過電性斥力而維持團簇粒子間的分散，因此，當加入電解質，或是對其通電的時候，膠體粒子間的斥力消逝就會聚集(aggregation) 形成塊狀，之後聚集的溶質就可以被濾紙分離。在生活經驗中，這也就是為什麼豆漿加入鹽滷即可製成豆花或是豆腐。

貴金屬奈米膠體粒子其光學特性除了廷得耳效應之外，粒子之間也有布朗運動。溶質與溶劑之間的隨機碰撞使得微粒會在溶液中呈現不規則狀運動，當不規則的碰撞越明顯則表示粒子粒徑越大，因此可以透過布朗運動來粗略求得金奈米粒子的粒徑。本文實驗中也會使用動態光散射(dynamic light scattering) 來進行金奈米粒子大小的估算。下一階段將介紹金奈米粒子作為生醫檢測的原理與應用。

• 金屬奈米粒子的感測原理與用途介紹

當光波射向貴金屬奈米粒子時，由於光波是一種電磁波，光線朝某一個方向照射過去的時候，其光線方向會出現隨時間變換的電場，與金屬奈米粒子上的自由電子雲產生交互作用的。以平均13奈米直徑長的金奈米粒子為例，光波波長為 520
nm的光能誘導其金屬奈米粒子表面電漿子發生震盪。該過程，光能會被金屬表面頻率相合的電漿子吸收作為震盪能，且有環境感測功能，請見圖1。

圖1.左圖：圓球形金奈米粒子修飾在玻璃片上，置於不同折射率溶劑環境下的吸收光譜圖(吸收光譜隨折射率上升而有吸收度上升與波峰向長波長位移現象。)右圖：波峰波長與最大吸收度對折射率的關係圖。

從圖1可以看到，當光能與金奈米粒子之間產生光學的交互作用時，金奈米粒子對周圍的微環境折射率相當敏感，其環境折射率越高，則吸收度越高、波峰波長也越大。透過這樣的現象，可在金奈米粒子表面修飾抗體、適體或是具有專一性辨識用的生化分子作為捕捉用探針。當有該探針的對象分子經過時，探針會將之辨認，並且造成金奈米粒子表面微環境折射率的改變，進而達到具有專一性的生物感測效果。有關生物感測的結果可參見圖2。

本實驗以金奈米粒子修飾的玻璃片為例，光通過貴金屬奈米粒子的時候，利用觀察其吸收光譜，就可以看到金奈米粒子的吸收光譜。而利用不同濃度的蔗糖調整水溶液的折射率，來觀測不同折射率蔗糖水下的玻璃片吸收光譜，可以觀察到此金奈米粒子的感測光學靈敏特性。

圖2.吸收光譜圖： (A)玻璃片修飾上球形金奈米粒子；(B)將(A)步驟的奈米粒子再修飾上 biotin； (C)將(B)步驟的樣品置於streptavidin 溶液中(3.788 ×10^-7M) 30分鐘，並清洗後再測試。

• 金奈米粒子合成

       金奈米粒子的製備方法主要有物理方法與化學方法，根據生成的機制有將金屬原子以物理蒸氣沉積(physical vapor deposition, PVD)，雷射蝕刻 (laser ablation) 燒結出粒子，磁控管濺鍍法
(magnetron sputtering)；而化學方法主要有微乳液法(micelle)、電化學還原法、化學還原法，光照還原法等。本篇所使用的化學還原法為最廣泛的方法，透過還原劑將金屬離子還原成奈米粒子，並以保護劑維持金屬奈米粒子間的斥力避免聚集。

實驗器材：

1.   冷凝管

2.   球底雙頸瓶

3.   加熱攪拌平台

4.   磁石攪拌子

5.   樣品瓶

6.   紫外光–可見光光譜儀

實驗藥品：

1.   四氯金酸鹽 (CAS: 16961-25-4)：黃色結晶鹽類，水溶液呈酸性。

2.  檸檬酸鈉(CAS: 68-04-2) 白色透明結晶鹽。

3.   鹽酸(CAS 7647-01-0)。注意市售濃鹽酸為12 M，無色，會冒白煙。

4.   硝酸 (7697-37-2)。一般為無色。市售濃度約為16M，會微冒白煙。

實驗步驟：

1. 取 20毫升0.88 mM 四氯金酸水溶液加入雙頸瓶中，置於迴流裝置上，以加熱攪拌器持續攪拌並加熱至沸騰。

2. 當溶液沸騰時，加入2.4 mL 1 % (g/mL) 的檸檬酸鈉水溶液。此時觀察並記錄四氯金酸鹽溶液的顏色變化。共有四個階段。淡黃色(Au³⁺)→無色(Au²⁺)→紫黑色(Au¹⁺)→酒紅色(Au⁰)。

待溶液顏色變為酒紅色後，持續加熱攪拌20分鐘。以上如圖3所示。

3. 關閉加熱器，待溶液冷卻至室溫，以紫外光–可見光光譜儀測量其吸收圖譜。

4. 紫外光–可見光光譜儀內有雙槽，其R槽意思為 reference，S槽意思為 sample，在兩槽中都先注入純水，對空白組做一次數據讀值作為校正。

接著再將S槽中的純水吸出，改注入金奈米粒子膠體溶液，進行測試。

5. 最後玻璃器皿以王水(硝酸與鹽酸以 1:3配置)清洗後，再以去離子水沖洗乾淨即可。

本文實驗的合成過程中，檸檬酸鈉是主要的還原劑，在加熱反應結束後是金奈米粒子表面帶有負電的檸檬酸根作為金奈米粒子的保護劑，因此本文的檸檬酸鈉同時是還原劑與保護劑。由於該方法使金奈米粒子合成變簡單，因此在全世界的奈米合成上都被廣泛應用。

冷凝迴流管是為使蒸散之水迴流回瓶，避免濃度上升，非必須。只要能使四氯金酸水溶液加熱至沸騰，加入檸檬酸鈉水溶液就可看到反應。

圖3.由上至下為：冷凝迴流管、球底雙頸瓶內含一顆磁石攪拌子，加熱攪拌平台，樣品瓶。藥品：四氯金酸(HAuCl_4(aq.))、檸檬酸鈉(Na₃-citrate_(aq.))。

清洗玻璃的時候為求洗淨，會使用王水作為配方。註：aq.為 aqueous(水溶液)的簡稱。

 

• 金奈米粒子粒徑分析

動態光散射測量原理：

        將雷射光射入含有微小粒子分布的溶液中，雷射光撞擊粒子會產生散射光。由於懸浮的膠體溶液粒子在非絕對零度之下具有動能，因此粒子在溶液中會產生布朗運動 (Brownian motion)，每顆散射的粒子之間距離會隨時間改變。藉由量測散射光與時間變化來求出擴散係數，再帶入 Stokes-Einstein equation 來求得水合半徑R。

Stokes-Einstein equation:

k:波茲曼常數 (1.380×10^-23J/K)，T:絕對溫度(K)，η:黏度 (Pa·s)，D:擴散係數

水合半徑定義為硬球體在溶液中經水分子擴散後所得的水合粒子半徑。因為實際上所量測的樣品常常不是單純球體存在，且會不斷移動。而且是水合的 (外表有水層包覆)，因此由分子擴散特性所計算的動態分子在水合狀態下所得的半徑，與理論上所得的硬球體半徑略微不同，稱之為水合半徑。

水合的過程是金屬離子在水中會因為其本身所帶的正電荷而吸引水分子內高電負度的氧原子端，使得金屬表面被水分子包圍；而本實驗所合成的金奈米球因其表面有負電荷，所以表面容易吸附低電負度端的氫原子而形成水合。以食鹽
(NaCl _(aq.))來舉例，如圖4。

圖4.離子水合化。以氯化鈉為例 (NaCl)。

儀器操作步驟：

1.將所合成的金奈米溶液置入拋棄式塑膠比色管中

2. Zeta sizer ­­➔ OK➔file ➔ new➔measurement➔桌面➔檔案夾

3. Measurement ➔manual ➔file ➔ new➔size ➔設定其他參數

4. Start

＊需暖機15min

• 金奈米粒子玻璃基材表面固定化

動機：學習使用橋接分子，將金奈米粒子表進行矽烷化 (silanization)固定於玻璃光學元件上。

儀器與耗材

1.石英比色管

2.乾淨之空白玻璃片

3.氧電漿清洗機

實驗藥品：

1. 硫基丙基三甲氧基矽烷 (3-mercaptopropyltrimethoxysilane, MPTMS, CAS:4420-74-0) 95%

2. 甲苯 (toluene, CAS: 108-88-3)95%

3. 乙醇 (ethanol, CAS: 64-17-5)95%

原理機制：矽烷化固定 (silanization)將玻璃表面改質。金奈米粒子與玻璃光學基材本身無化學作用力。需藉由橋接分子將其固定在玻璃基材上。本實驗以硫基丙基三甲氧基矽烷(3-mercaptopropyltrimethoxysilane, MPTMS) 作為橋接分子。MPTMS本身一端帶有硫醇 (mercapto group, –SH)與金可以形成穩定的硫金共價鍵結合，另一端則帶有三個甲氧基矽烷 (–Si–OCH₃)，甲氧基與玻璃可以形成矽烷化固定，每一分子甲氧基水解後，與玻璃表面的矽醇 (silanol, Si–OH)縮合鍵結，並脫去一分子甲醇溶入溶劑之中，致使玻璃的矽醇基改質為硫醇基。

實驗步驟

1.若欲優化條件，可將待修飾的玻璃片清洗後，使用氧電漿清洗機10分鐘使表面活性化，或是食人魚水(piranha solution：配方為3份濃雙氧水與7份濃硫酸)進行蝕鏤。

(註：此試劑具強氧化性，危險性大，不建議在高中化學實驗中使用)

2. 以甲苯為溶劑，配置2%(v/v)MPTMS，與修飾之清洗好的玻璃片避光浸泡靜置16小時。

3. 浸泡完畢後，倒去MPTMS/甲苯反應試劑，依序以下列洗劑超音波震盪10分鐘。甲苯→甲苯：乙醇(1:1)的共溶劑→乙醇→乙醇：水(1:1) 的共溶劑→水。

(註： 該甲苯有機溶劑需注意不可以倒入水槽，而應統一集中倒入廢液桶。)

4. 最後純水清洗完畢後的玻璃片，與前述所合成的金奈米粒子溶液浸泡10分鐘。即可修飾完畢。以圖5為例。

圖5.玻璃表面矽烷化功能性官能基改質。

• 折射率感測

目的：對不同環境折射率下的金奈米粒子進行光譜比較。使學生了解金奈米粒子在不同環境折射率下的光譜變化，以及其靈敏的光學性質與感測上的應用。

原理：金奈米粒子在受到特定頻率的電場的影響下，其表面電子雲產生集體式的偶極震盪 (collective dipolar oscillations)，這樣的震盪被侷限於奈米粒子表面，因此被稱之為定域性表面電漿共振。此能量與奈米粒子的形狀、大小、所處環境之介電係數(在此則可以解釋為不同折射率)有關。當環境折射率增加時，該吸收波峰也會上升與波峰紅位移。

表1.不同折射率之蔗糖水溶液配方

R.I Wt% Sucrose(g) DIwater(mL) 1.333 0.0000 0.000 16.000 1.343 0.0680 1.088 14.912 1.353 0.1325 2.120 13.880 1.363 0.1945 3.112 12.888 1.373 0.2540 4.064 11.936 1.383 0.3105 4.968 11.032 1.393 0.3655 5.848 10.152 1.403 0.4170 6.672 9.3280

 

最終總重量皆為16.000公克。

儀器與耗材：

1. 紫外光–可見光光譜儀

2. 折射率儀

3.石英比色管

藥品：蔗糖(saccharose, CAS: 57-50-1)

實驗步驟：

1. 製備不同折射率之溶液。如表1配置。

2. 透過折射率儀紀錄7個蔗糖水溶液的折射率。

3.在紫外光–可見光光譜儀放置注入純水的石英比色管，在R槽放置空白玻璃片、而S槽先放置空白玻璃片做完空白組檢測之後，S槽再改放置有金奈米粒子修飾之玻璃片。

4. 依序對S槽有金奈米粒子修飾的玻璃片置換溶劑，將折射率從水(RI: 1.333) 改為不同RI值並且進行全光譜掃描。該折射率依序從1.333、1.343、1.353、…、1.403。在不同溶液中偵測光譜。

5. 完成偵測後，將光譜圖做分析比較

• 可讓學生探索的實驗問題

1. 粒子修飾玻璃片感測的實驗中，玻璃片於不同折射率的環境下，光譜會有怎樣的變化？

2. 金奈米粒子吸收波帶的位置與本身的什麼條件有關？舉一例子解釋

3. 奈米金粒子還原過程中的顏色變化順序為何？並解釋原因。

4. 化學還原法利用檸檬酸鈉將金奈米顆粒還原出來，還原劑與金離子的濃度比值，如何影響到金奈米顆粒之大小？請解釋。

5. 今有一未知粒徑的奈米金球膠體溶液，請利用Stokes-Einstein方程式求得其理論水合半徑。 (在溫度為25°C下，已知奈米金球在水中的擴散係數為15.3×10^-12m²s^-1，水的常溫常壓黏度為1×10^-3
Pa·s。)

1Pa‧s=1kg‧s^-1m^-1=10P，1cP =10^-2 P,1J= 1 N‧m= 1kg‧m²‧s^-2=1Pa‧m³=1W‧s

• 教學中應注意事項：廢棄物處理與安全注意事項

固體廢棄物該有指定的回收。如本次實驗中使用的玻璃片。

含重金屬離子或是有機溶劑廢液應倒入指定回收的廢液收集桶，不得傾倒於水槽內。滾沸的過程中，請勿將溫度計作攪拌棒使用，如若水銀溫度計破損應使用硫粉將汞珠吸附後回收。

本次實驗中，四氯金酸鹽為一種酸性溶液，而檸檬酸三鈉為弱鹼性。雖然反應後之金奈米粒子生物相容性好，仍應以重金屬廢液回收。

• 結語

本實驗模組教學教材主要介紹了由貴金屬奈米粒子的表面電漿共振原理來作為玻璃基材微環境折射率的感測器。此類平台不僅可以對於貴金屬奈米粒子的微環境變化進行靈敏感測，當貴金屬奈米粒子表面上修飾具有專一性的生物辨識分子時，可以透過光學訊號的改變進行即時的定量檢測。金屬奈米材料的物理化學特性不僅如此，結合多重感測平台的發展、生物辨識分子固定化與保存，使其可以作為高效、便捷且節約的技術，都是該項技術的發展潛力。最後期許讀者從本篇教學中亦有所心得與啟發。

• 參考資料

1. 許偉庭、周禮君“貴金屬奈米粒子感測器”科儀新知2006,28, 38-45.

2. 謝銘隆、周禮君“貴金屬奈米粒子定域化表面電漿共振波在生物感測的應用”化學2010,68, 21-32.

3. 章嘉明、李佳瑜、黃玶吉、王少君、周禮君“貴金屬奈米粒子在生醫檢測上的應用實例”台灣奈米會刊2010,21,44-50