羅鵬

摘要：使用直鏈淀粉、硝酸銀、葡萄糖、檸檬酸鈉等試劑，采用家用微波爐加熱反應(yīng)體系，成功制備納米級銀顆粒。通過現(xiàn)代分析技術(shù)對其進(jìn)行表征，制備的銀納米顆粒平均粒徑為Snm左右，且實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好。開展對照實(shí)驗(yàn)，明確每種試劑在制備過程中的作用。通過本實(shí)驗(yàn)，使得高中生對納米材料的一般制備過程有所了解，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和對化學(xué)學(xué)科的興趣。

關(guān)鍵詞：淀粉；納米材料；銀納米顆粒；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號：1005-6629（2016）2-0060-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 研究背景

納米材料的合成是現(xiàn)代化學(xué)持續(xù)關(guān)注和研究的領(lǐng)域，納米材料由于其顆粒極其微小（O.1～100nm）表面積較大，使其具有顯著的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)而表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。銀納米顆粒作為一種具有特殊性能的材料，因?yàn)槠湓卺t(yī)學(xué)上具有獨(dú)特的抗菌性而受到人們的關(guān)注。銀納米顆粒能直接進(jìn)入菌體與氧代謝酶結(jié)合，使菌體窒息而死的獨(dú)特作用機(jī)制，可殺死與其接觸的大多數(shù)細(xì)菌、真菌、霉菌、孢子等微生物。經(jīng)國內(nèi)八大權(quán)威機(jī)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)：納米銀對耐藥病原菌如耐藥大腸桿菌等數(shù)十種細(xì)菌有全面的抗菌活性；對燒、燙傷及刨傷表面常見的細(xì)菌如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等都有殺菌作用；對沙眼衣原體、引起性傳播性疾病的淋球菌也有強(qiáng)大的殺菌作用。尤其特別的是納米銀屬于非抗菌素殺菌劑能殺滅各種致病微生物，比抗菌素更強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，粒徑越小，殺菌性能越強(qiáng)。10nm大小的納米銀顆?？裳杆僦苯託⑺兰?xì)菌，使其喪失繁殖能力，因此無法生產(chǎn)耐藥性下一代，能有效避免因耐藥性而導(dǎo)致反復(fù)發(fā)作久治不愈。這對于解決目前因抗生素濫用而產(chǎn)生的細(xì)菌耐藥性難題，提供了有效途徑。

然而，這一切看上去又似乎與中學(xué)生相距甚遠(yuǎn)。關(guān)于納米材料的化學(xué)制備一般方法是選擇合適的還原劑，將金屬陽離子還原出來（單質(zhì)）。但是在還原出金屬原子的過程中，要保證不能讓金屬原子“聚合”變大。最常用的還原劑實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。塑料盒還減弱了燃燒強(qiáng)光對眼睛的傷害，相當(dāng)于戴上了護(hù)目鏡的效果，整個(gè)過程無任何安全隱患。

（2）微型、綠色、低碳、環(huán)保：使用實(shí)驗(yàn)室最小尺寸直徑7cm的圓濾紙，方便易得，藥品用量幾乎減小到蘇教版教材的的十分之一，甘油用量僅需5滴即可；而引燃甘油產(chǎn)生的CO₂氣體，一部分與鎂條反應(yīng)，多余的部分被塑料盒壁的NaOH溶液吸收，除此之外，塑料盒壁的溶液還有利于煙塵的沉降；塑料盒罩住整個(gè)反應(yīng)裝置，減少了大量煙塵外逸污染環(huán)境。

（3）儀器可多次重復(fù)使用：筆者為驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的可操作性，重復(fù)操作超過十五次，蒸發(fā)皿及塑料盒均無任何損傷。

（4）裝置簡約，材料易得，適宜推廣.塑料盒、小噴霧器均為生活中常見的廢棄物，易獲得、易制作，其余均為實(shí)驗(yàn)室常見儀器，無需很多成本。整個(gè)裝置小巧、輕便、易攜帶，易推廣。結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn)，可以將該演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。是硼氫化鈉（NaBH₄），然而硼氫化鈉固體是一種易燃、具有腐蝕性，其在水溶液中不穩(wěn)定慢慢分解，不適合中學(xué)生使用。硼氫化鈉在酸性條件下會快速分解釋放氫氣，所以它不能在酸性條件下反應(yīng)，只能在堿性條件下使用。筆者通過查閱相關(guān)資料，用葡萄糖可代替NaBH₄作為還原劑制備銀納米顆粒。在校本課程中開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果。通過實(shí)驗(yàn)，讓中學(xué)生對納米材料的一般制備方法和原理有所了解，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)的大學(xué)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

淀粉廣泛地存在于自然界中，是一種重要的多糖類有機(jī)物，也是重要的能源物質(zhì)，對人類和動物都具有重要意義。在中學(xué)階段，淀粉也是重要的物質(zhì)，常用來檢驗(yàn)單質(zhì)碘的存在。一般來說淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉由a-葡糖糖分子縮合而成，溶于水的直鏈淀粉借助分子內(nèi)的氫鍵卷曲成螺旋狀。利用其特殊螺旋結(jié)構(gòu)（見圖1），作為保護(hù)劑制備納米級銀顆粒。Sintubin等研究了多種乳酸桿菌制備納米銀的能力，推測細(xì)胞外聚合物（EPSs）為Ag⁺提供吸附位點(diǎn)，還原性糖如葡萄糖等作為電子供體將Ag⁺還原為Ag。本文沒有使用NaBH₄，避免了其存在的各項(xiàng)潛在缺陷。選擇使用葡萄糖作還原劑，獲得了更小納米粒子，納米粒子穩(wěn)定性增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好，適合學(xué)生動手完成。

2 實(shí)驗(yàn)原理

在淀粉和檸檬酸鈉的溶液中，在加熱的條件下（沸騰），使用葡萄糖還原硝酸銀。制備黃色膠態(tài)微粒納米銀粒子。

3 實(shí)驗(yàn)用品及過程

可溶性直鏈淀粉、硝酸銀、檸檬酸三鈉的二水合物、D-葡萄糖、葡萄糖、硝酸銀（≥99%），蒸餾水；移液管（10mL和25mL）、10mL透明試劑瓶、錐形瓶。 取25mL蒸餾水于錐形瓶中，依次加入0.1g可溶性淀粉，滴入2～3滴0.05 mol/L硝酸銀溶液、0.02g檸檬酸三鈉的二水合物、0.03g葡萄糖，混合均勻。取反應(yīng)液于2個(gè)10mL透明試劑瓶中，進(jìn)行試驗(yàn)。一個(gè)試劑瓶放在帶有磁子的加熱攪拌器中（10min至沸騰），另一個(gè)放在家用微波爐中加熱（3min至沸騰），都成功制備了淺黃色的納米銀溶液。相對而言，微波加熱方式制得的粒徑更加均勻（見圖2）。這可能是由于微波加熱的方式更加均勻的緣故。

4 銀納米顆粒的表征

表征結(jié)果如圖3、圖4所示。

通過現(xiàn)代儀器分析技術(shù)表明，本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)制得納米級的銀。與文獻(xiàn)報(bào)道基本一致。從成功制備的納米銀的溶液來看，發(fā)現(xiàn)溶液呈現(xiàn)淺黃色。當(dāng)延長加熱時(shí)間和增大銀離子濃度時(shí)，溶液呈較深的棕色，儀器分析的結(jié)果表明此時(shí)銀粒子的半徑較之前變大。因此當(dāng)溶液出現(xiàn)淺黃色時(shí)，即說明實(shí)驗(yàn)成功。

5 實(shí)驗(yàn)條件和反應(yīng)原理的探究

為鼓勵學(xué)生思考，開展對照實(shí)驗(yàn)。（反應(yīng)物+表示存在，一表示不存在）在實(shí)驗(yàn)中，鼓勵學(xué)生自己動手完成分組實(shí)驗(yàn)。探究實(shí)驗(yàn)過程中每種試劑的作用，以便更加全面和客觀地理解制備的反應(yīng)過程，取得較好的教學(xué)效果。

通過查閱文獻(xiàn)可知，硼氫化鈉（NaBH₄）的成功主要是銀原子間存在的過量BH₄^-的靜電排斥作用，使得生成的銀原子間聚合變得困難。當(dāng)向反應(yīng)體系中加入電解質(zhì)如NaCl后，能破壞BH₄^-間的排斥作用，使得銀原子間能聚合變大，導(dǎo)致納米銀的制備失敗。為驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)中納米銀的形成機(jī)理，在對照實(shí)驗(yàn)中我們也加入了少量的NaCl，但對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果幾乎沒有影響。那么究竟是什么原因促進(jìn)納米銀粒子的生成呢？

對照實(shí)驗(yàn)2、3、4，可知直鏈淀粉的存在，對銀納米顆粒制備起到關(guān)鍵作用。在直鏈淀粉螺旋結(jié)構(gòu)中，葡糖糖單元的最大孔徑為0.4nm左右，顯然不能成為納米銀的生成點(diǎn)?？赡艿那闆r應(yīng)該是，在螺旋狀的淀粉分子鏈中，仍然有多個(gè)羥基暴露在螺旋結(jié)構(gòu)外，生成的銀原子與這些羥基作用，使得銀原子生成后嵌入到螺旋結(jié)構(gòu)軸中，相當(dāng)于銀原子被“包合”，使得銀原子彼此之間的“聚合”受到阻礙。因此，淀粉成為納米銀生成過程的保護(hù)劑，也使得納米粒子的穩(wěn)定性得到提高。

由實(shí)驗(yàn)5和6可知，檸檬酸三鈉的存在對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也有較大的影響。那么檸檬酸三鈉到底在反應(yīng)中起到什么作用呢？由反應(yīng)（I）可知，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生銀原子的同時(shí)，產(chǎn)生等物質(zhì)的量H⁺，而體系的酸性增加顯然是不利于納米粒子的生成的。從這點(diǎn)來考慮，檸檬酸三鈉是一種多元弱酸強(qiáng)堿鹽，它主要起到調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的酸度，起到類似緩沖溶液的作用。

6 結(jié)論

使用淀粉、硝酸銀、檸檬酸三鈉、葡萄糖成功制備了銀納米顆粒。直鏈淀粉因?yàn)槠渎菪Y(jié)構(gòu)而成為形成納米銀的保護(hù)劑，檸檬酸三鈉是反應(yīng)體系的緩沖劑，調(diào)節(jié)體系的酸度。通過實(shí)驗(yàn)的探究，能讓學(xué)生明白納米材料的生長原理和過程，能使學(xué)生對納米材料的制備原理及過程有初步認(rèn)識，能提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。endprint