實驗七金奈米粒子於重金屬汞離子偵測

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實驗七金奈米粒子於重金屬汞離子偵測

一、目的：

學習大小為13-nm 之金奈米粒子（Au nanoparticles; 簡稱 Au NPs）的合成與 3-硫基丙酸（3-mercaptopropionic acid; 簡稱 MPA）修飾，並利用金奈米粒子聚集時特殊的顏色變化來測定毒性重金屬汞離子。

二、原理：

汞汙染的來源非常多，例如水中的汞汙染主要來自氯鹼、塑膠、電池和電子工業排放的廢水；使用含汞的農藥或肥料則造成土壤汙染；大氣中的汞汙染，則來自垃圾焚化爐、燃煤發電廠等。汙染的汞通常可以分成有機汞、無機汞兩大類。

無機汞化合物主要經由通胃腸道吸收，故常二價汞離子(Hg²⁺)較亞汞離子(Hg⁺) 之毒性較強有機汞化合物，尤其是甲基汞，進入人體容易被吸收並輸送到全身各器官，特別是肝、腎和腦組織，分佈於腦組織中的甲基汞約佔 15％。腦組織受損害先於其它各組織，主要損害部位為大腦皮層、小腦和末梢神經，其中毒症狀主要有：一般症狀，如頭痛、疲乏、健忘和精神異常等。

有鑒於微量汞離子偵測的重要性，本實驗將介紹以3-硫基丙酸修飾之金奈米粒子，來偵測二價汞離子。金奈米粒子的合成是利用檸檬酸鹽還原金離子而成。

未反應的檸檬酸根離子（citrate）和其他帶負電產物，會吸附在金奈米粒子的表面，使粒子帶負電荷；藉此負電荷所產生的靜電排斥作用力，能使金奈米粒子穩定存在溶液中。粒徑為13-nm 的金奈米粒子因其表面電漿帶（surface plasmon band）

在波長518 nm 有吸收，會呈現肉眼即可辨識的紅色，其顏色和吸收光譜圖如圖 7-1 所示。

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圖7-1 不同粒徑大小金奈米粒子之顏色與其吸收光譜圖

3-硫基丙酸利用其硫醇基與金原子之強 Au-S 鍵結力而修飾在金奈米粒子的表面形成3-硫基丙酸-Au NPs (MPA-Au NPs)。MPA-Au NPs 因表面電荷排斥故可以穩定存在緩衝溶液中，其顏色仍呈現原來的紅色。若將重金屬離子Hg²⁺、Cd²⁺、 Pb²⁺分別與MPA-Au NPs 溶液混合，重金屬離子將與來自不同奈米粒子上 3-硫基丙酸的羧酸基(carboxylate group)錯合，並使金奈米粒子聚集且溶液由原來的紅色變成聚集的紫色。若將原來 MPA-Au NPs 溶液加入遮蔽劑 2,6-吡啶二甲酸 (2,6-pyridinedicarboxylic acid; 簡稱 PDCA)，只有 Hg²⁺會造成MPA-Au NPs 聚集，

故由 MPA-Au NPs/PDCA 所組成奈米感應器可成功應用於具有選擇性重金屬汞離子偵測。

三、試藥及儀器：

1. 試藥

四氯金酸 200 mM 10 mL hydrogen tetrachloroaurate (III) trihydrate

三鈉檸檬酸鹽 4 mM 100 mL trisodium citrate

硝酸汞 0.1 mM 10 mL mercuric nitrate, Hg(NO3)2

硝酸汞 1 mM 10 mL mercuric nitrate, Hg(NO3)2

硝酸鉛 1 mM 10 mL lead nitrate, Pb(NO3)2

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硝酸鎘 1 mM 10 mL cadmium nitrate, Cd(NO3)2

3-硫基丙酸 100 M 10 mL 3-mercaptopropionic acid, MPA

2,6-吡啶二甲酸

(PDCA) 10 mM 10 mL 2,6-pyridinedicarboxylic acid

Tri-borate (TB)緩衝液

500 mM;

pH = 9.0 20 mL Tris-borate buffer, TB

2. 儀器與材料

攪拌器 1 個

加熱包 1 個

雙頸圓底瓶 250 mL 1 個

冷凝迴流裝置 1 套

磁攪拌子 2 cm 1 個

燒杯 1000 mL 1 個

量筒 50 mL 1 個

燒杯 1 L 1 個

麻布手套 1 雙

塑膠瓶 100 mL 1 個

分度吸量管 5 mL 2 支

燒杯 500 mL 1 個

塑膠瓶 100 mL 1 個

玻璃樣品瓶 20 mL 20 個

石英容槽 4 mL 1 個

紫外-可見光吸收光譜儀 1 台

四、實驗步驟：

A. 13-nm 粒徑金奈米粒子合成

1. 取 20 mL 的濃硝酸與 40 mL 濃鹽酸混合，配置成約 60 mL 王水，將所有欲使用之玻璃器皿如雙頸圓底瓶、分度吸量管、量筒和磁攪拌子等，皆以王水浸潤5–10 分鐘，以自來水沖洗乾淨後，再以蒸餾水沖洗，最後放入烘箱內烘乾（由助教預先準備之）。

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註︰王水清洗器皿時，因王水具有強烈腐蝕和刺激臭味，使用時須帶矽膠手套，

並在排氣櫃下清洗。

2. 以量筒量取 50 mL 四氯金酸溶液（4 mM），倒入250 mL 雙頸圓底瓶，加入一顆磁攪拌子後，將雙頸圓底瓶放置於攪拌器上的加熱包中，使用廣用夾固定（如圖7-2 所示）。

圖7-2 金奈米粒子合成裝置圖

3. 啟動加熱及攪拌調控鈕加熱溶液至均勻沸騰。

4. 保持四氯金酸溶液在均勻沸騰狀態下，使用 1 mL 吸注器取 250 μL 三鈉檸檬酸鹽溶液（200 mM）迅速加入瓶中，觀察並紀錄溶液顏色隨時間的變化。

持續攪拌3 分鐘後停止加熱，移去加熱攪拌裝置，將合成好的金奈米粒子溶液浸泡在內裝 800 mL 自來水之 1000 mL 燒杯內直到溶液溫度降到室溫。

註︰移除高溫沙浴系統時，應戴麻布手套或用抹布包裹，避免燙傷。

B. 3-硫基丙酸修飾之金奈米粒子合成

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使用1 mL 分度吸量管取 100 M 3-硫基丙酸加入至裝有 9 mL 金奈米粒子溶液之樣品瓶，均勻混合後反應靜置1 小時。

C. Hg²⁺、Cd²⁺和Pb²⁺選擇性偵測

配置下表所列溶液，並用於觀測金奈米粒子顏色變化與重金屬溶液之關係：

編號 MPA-Au NPs 溶液 TB 緩衝溶液 PDCA 重金屬溶液 (1 mM) 去離子水 A1 2.0 mL 1.0 mL 0 mL 0 mL 7 mL A2 2.0 mL 1.0 mL 0 mL Pb(NO3)2 1 mL 6 mL A3 2.0 mL 1.0 mL 0 mL Cd(NO3)2 1 mL 6 mL A4 2.0 mL 1.0 mL 0 mL Hg(NO3)2 1 mL 6 mL A5 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 0 mL 6 mL A6 2.0 mL 1.0 mL 1 mL Pb(NO3)2 1 mL 5 mL A7 2.0 mL 1.0 mL 1 mL Cd(NO3)2 1 mL 5 mL A8 2.0 mL 1.0 mL 1 mL Hg(NO3)2 1 mL 5 mL

註：上表溶液加入順序為去離子水TB 緩衝溶液PDCA 溶液重金屬溶液並靜置20 分鐘 MPA-Au NPs 溶液。

將溶液均勻混合後靜置10 分鐘，觀察並紀錄不同重金屬條件下，金奈米粒子顏色變化。

D. Hg²⁺定量分析

配置下表所列溶液，觀察金奈米粒子顏色變化與Hg²⁺濃度之關係：

編號 MPA-Au NPs 溶液 TB 緩衝溶液 PDCA Hg²⁺溶液 (0.1 mM) 去離子水 B1 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 0 mL 6.0 mL

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B2 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 0.1 mL 5.8 mL B3 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 0.2 mL 5.5 mL B4 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 0.4 mL 5.2 mL B5 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 0.6 mL 5.0 mL B6 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 0.8 mL 4.8 mL B7 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 1.0 mL 4.5 mL B8 2.0 mL 1.0 mL 1 mL 1.2 mL 4.0 mL

註：上表溶液加入順序為去離子水TB 緩衝溶液PDCA 溶液Hg²⁺溶液並靜置20 分鐘 MPA-Au NPs 溶液。

將溶液均勻混合後靜置10 分鐘，觀察並紀錄不同 Hg²⁺離子條件下，金奈米粒子的顏色變化。

五、參考資料

1. Campbell, L. M.; Dixon, D. G.; Hecky, R. E. J. Toxicol. Environ. Health B

2003, 6, 325-356.

2. Wang, Q.; Kim, D.; Dionysiou, D. D.; Sorial, G. A.; Timberlake, D. Environ.

Pollut. 2004, 131, 323-336.

3. Kim, Y.; Johnson, R. C.; Hupp, J. T. Nano Lett., 2001, 1, 165-167.

4. For acetate, the stability constants are: log K(Pb) = 4.1; log K(Hg) = 10.1; and log K(Cd) = 3.2. F. M. M. Morel, in Principles of Aquatic Chemistry, Wiley-Interscience, New York, 1983, ch. 6, pp. 248–249.

5. Huang, C.-C.; Chang, H.-T. Chem. Commun. 2007, 1215-1217.

6. Huang, C.-C.; Chang, H.-T. Anal. Chem. 2006, 78, 8332-8338.

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