化學實驗室實驗：金奈米粒子的合成 – I

化學實驗室實驗：金奈米粒子的合成 (Synthesis of Gold Nanoparticles)［I］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一 (Student Handout I)

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）來鑑定合成的奈米級金粒子。在實驗過程中也學習配製王水以清洗器皿、吸量管與電磁加熱攪拌器之使用、並學習應用漏斗架設簡易的迴流加熱反應裝置。

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映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（urface 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。

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）。而金奈米粒子的「紅」，已經利用在很多方面，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。

圖一 粒子電漿子共振 (particle plasmon resonance)之示意圖

二、 金奈米粒子製備

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，因此所有實驗器皿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。配置藥品需使用超純水（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。

圖二 金奈米粒子的電子顯微鏡影像圖（圖片來源：Park System, http://www.parkafm.com/jp/gallery_list.php?id=167）

器材和藥品

本實驗所使用的重要器材和藥品，如圖三所示。

圖三 本實驗藥品

1. 錐形瓶（125 mL）  1個/組
2. 漏斗（小型）  1支/組
3. PE滴管（3 mL）  3支/組
4. 電磁加熱攪拌器  1台/組
5. 磁攪拌子  1個/組
6. 試管  2支/組
7. 樣品瓶（5mL）  1個/組
8. 乳膠手套  1雙/人
9. 雷射筆  1支/組
10. 濃硝酸（nitric acid，15 M HNO₃）  5 mL/組
11. 濃鹽酸（hydrochloric acid，12 M HCl）  15 mL/組
12. 1.0 mM 四氯金酸（Tetrachloroauric acid trihydrate，HAuCl₄‧3H₂O）  15 mL/組
13. 1% 檸檬酸鈉（sodium citrate，Na₃C₆H₅O₇）  1.5 mL/組
14. 1 M 氯化鈉（sodium chloride，NaCl）  5 mL/組
15. 蒸餾水  約50 mL/組
16. 去離子水（或以蒸餾水取代，請見教學提示一節）  約30 mL/組
17. 超純水（或以蒸餾水取代，請見教學提示一節）  約20 mL/組

連結：金奈米粒子的合成 – II