金奈米粒子之合成與吸收光譜鑑定
z 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。
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z 臺大化學系普化教學組林育申助教,2007 年 4 月 19 日。
一、目的:利用檸檬酸鈉(Na
3
C6
H5
O7
)為還原劑將四氯金酸(HAuCl4
)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共振波 帶之差異,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)
+ Na3
C6
H5
O7 (aq)
⎯迴流加熱 10⎯⎯⎯⎯⎯分鐘⎯⎯→ Au (1) 還原劑 金奈米粒子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 MΩ);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
常與粒子的形狀和大小有關。因此我們以分光光譜儀量測此特性波帶,判斷 所合成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
)、1 mM 四氯金酸(HAuCl
4
⋅3H2
O)、38.8 mM 檸檬酸鈉(Na3
C6
H5
O7
)、超純水。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
/HCl = 1/3 (v/v))浸洗器皿內壁,王水必須完全 沖洗乾淨,以免殘餘王水影響後續製備 反應。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
)水溶液至 50 mL 圓底瓶中,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
+
)電源,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。 0.000
0.100 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。
濾片選擇器