金奈米粒子之合成與吸收光譜鑑定

金奈米粒子之合成與吸收光譜鑑定

 國立臺灣大學化學系，大學普通化學實驗，第十二版，國立臺灣大學出版中 心：台北，民國九十七年。

 版權所有，若需轉載請先徵得同意；疏漏之處，敬請指正。

 臺大化學系普化教學組林育申助教（2007.04.19）、林哲仁助教（2011.07.28）。

一、目的：利用檸檬酸鈉為還原劑將四氯金酸還原，製得不同粒徑之金奈米粒子；

測量其可見光吸收光譜以比較表面電漿子共振波帶（surface plasmon resonance，簡記為 SPR）之差異，並觀察膠體溶液之性質。

二、實驗技能：學習配製王水以清洗器皿，吸量管、電磁加熱攪拌器之使用，架 設迴流加熱裝置，以及可見光吸收光譜儀之操作。

三、 原理：

（一）金奈米粒子之製備

本實驗以檸檬酸鈉為還原劑將四氯金酸還原為金奈米粒子；調控還原劑之 用量比例，以合成不同粒徑之金奈米粒子；當檸檬酸鈉/四氯金酸比例高時，製 備所得金奈米粒子之粒徑小，反之亦然，其反應如式1：

HAuCl

4(aq)

3

6

5

7 (aq)

由於金奈米粒子之合成環境條件要求高，因此所有實驗器皿須以王水浸潤洗淨 表面；王水必須完全沖洗乾淨不得殘留；配製藥品需使用超純水（電阻值大於 15 M）；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。

（二）金奈米粒子之光譜鑑定

金奈米粒子最常用紫外光/可見光（UV-vis）光譜儀及穿透式電子顯微鏡

（transmission electron microscope，TEM）分析鑑定其形狀及粒徑大小分布。金

的金奈米粒子大小是否符合其表面電漿子共振波帶。例如本實驗所合成小粒徑

（約15 nm）及大粒徑（約 33 nm）之金奈米粒子，其表面電漿子共振吸收波 長分別在520 及 528 nm。二者經穿透式電子顯微鏡觀察及其粒徑分佈分析分別 如圖1 及 2 之(A)、(B)所示。

圖 1 穿透式電子顯微鏡觀察金奈米粒子

(A) 1.8 mL之38.8 mM檸檬酸鈉與15 mL之1 mM四氯金酸反應產物 (B) 1 mL之38.8 mM檸檬酸鈉與15 mL之1 mM四氯金酸反應產物

圖 2 金奈米粒子粒徑分析結果

四、 儀器與材料：圓底瓶（50 mL）、冷凝管（含 2 條橡皮管）、漏斗、滴管、

刻度吸量管（2 mL）、移液吸管（15 mL）、安全吸球、磁攪拌子、電磁加熱 攪拌器、砂浴鋼杯、海砂、小廣用夾、計時器、分光光譜儀（Spectronic 20D

⁺

容槽（2 支）、試管（1 支）、樣品瓶（25 mL）、乳膠手套、雷射筆（5 支，

共用）。

五、藥品：濃鹽酸（12 M HCl）、濃硝酸（15 M HNO

3

（HAuCl

4

2

3

6

5

7

實驗流程

(A)

50 nm

六、實驗步驟

步驟 圖片示範

（一）金奈米粒子之合成

1

取5 mL 濃硝酸與 15 mL 濃鹽酸混合於 100 mL 燒杯中配製王水。

將所需使用之圓底瓶、吸量管、磁攪拌 子、樣品瓶等以王水浸潤約1 分鐘，再 將王水倒入回收燒杯中，以大量去離子 水將器皿沖洗乾淨，最後以超純水淋洗 2 次，而後倒置滴乾。

註1：反應器具需以王水（HNO

3

註2：王水因具強腐蝕性及刺激臭味，

使用時需穿戴乳膠手套並在排氣櫃中清 洗。王水可共用，用後回收作為最後清 洗器具之用。

2

用吸量管量取15 mL、1 mM 四氯金酸

（HAuCl

4

加入磁攪拌子。

架設迴流加熱裝置：以小廣用夾固定圓 底瓶於鐵支架上，再將圓底瓶置於加熱 板上的鋼杯中，調整至適當位置使攪拌 子能順利攪拌。

裝接冷凝管於圓底瓶的上方使磨砂口接 合緊密，以廣用夾固定冷凝管；連接冷 凝管的橡皮管，讓冷卻水自下端流入、

上方排出。

在鋼杯中加入適量海砂作為砂浴加熱系 統。調整迴流加熱裝置使整個架設正直 不歪斜，經由老師檢查後才進行加熱。

註1：橡皮管應先沾水以便利裝接，裝 接的深度應足夠以免脫落。冷凝管充滿 水後，將冷卻水水量調小，以節省用水。

註2：容器必須放在加熱攪拌器中心位 置，確定攪拌子能順利攪拌。

冷水入

溫水出

3

在四氯金酸溶液劇烈沸騰與攪拌的狀態 下，使用2 mL 吸量管量取 1.8 mL（單 號組）或1.0 mL（雙號組） 38.8 mM 檸 檬酸鈉溶液，自冷凝管上端快速加入瓶 中，觀察記錄溶液顏色之變化及時間。

注意：加入檸檬酸鈉溶液時，四氯金酸 溶液需保持均勻攪拌，以使反應物混合 均勻。

4

持續攪拌加熱至溶液沸騰10 分鐘後，關 閉加熱電源，停止加熱，移除砂浴系統，

再繼續攪拌冷卻15 分鐘。觀察、記錄並 比較溶液之顏色。

注意：移除高溫之砂浴系統時應戴麻布 手套或使用抹布包裹，以免燙傷，而此 時加熱板也是在高溫狀態。

（二）金奈米粒子溶液的光譜鑑定

5

取2 支容槽，一支裝入約 2/3 容積之蒸餾 水作為參考溶液，另一支加入約1 mL 金 奈米溶液及4 mL 蒸餾水並混合均勻作為 試樣溶液，以進行吸收光譜測定。

6

儀器歸零

打開分光光譜儀（Spectronic 20D

⁺

熱機15 分鐘，將波長設定於 400 nm，調 整透過率（T）讀值為「0.00」，完成歸零。

註：分光光譜儀之使用，請參考實驗技能

與示範影片。 歸零

Transmittance

調整歸零 調整100％

歸零 波長設定值

波長調控

參考溶液 試樣溶液

7

儀器校正

光譜儀功能切換至「Absorbance（吸收度 測定）」，放入盛裝參考溶液之容槽，轉動

「透過率/吸收度」調控鈕，調整吸收度顯 示為「.000」完成校正。

試樣溶液吸收度測定

置入金奈米試樣溶液之容槽，量測並記錄 其吸收度。

改變分析波長，每次增加20 nm，重新以 參考溶液校正儀器，再量測試樣溶液吸收 度。510~540 nm 之波長範圍內，以 5 nm 間隔變換波長，量測試樣溶液在400～700 nm 可見光波長範圍內之吸收度變化。

註：每改變一次波長，均需以參考溶液再 校正儀器一次，即調整吸收度為「.000」。

當分析波長大於 600 nm 時，需將濾片選 擇器切換至「600-950 nm」。

置入空白液校正儀器

8

以吸收度為 Y 軸，測定波長為 X 軸，製 作金奈米溶液之吸收光譜圖，並測得其最

大吸收波長。 ^0.0000.100

0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700

400 500 600 700

Wavelength (nm)

Abs

（四）膠體溶液性質觀察

9

裝盛約1 mL 之 1 M NaCl 溶液於乾淨試 管，以雷射筆為光源分別照射容槽內金奈 米溶液及NaCl 溶液，觀察廷得耳效應。

10 於金奈米溶液中逐滴加入 1 M 之 NaCl，

觀察並記錄金奈米溶液之變化。

11 實驗後廢液倒入指定回收桶，集中處理。

濾片選擇器