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)對其進行表征，制備的銀納米顆粒平均粒徑為Snm左右，且實驗重復性較好。開展對照實驗，明確每種試劑在制備過程中的作用。通過本實驗，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)學生的科學素養(yǎng)和對化學學科的興趣。

關鍵詞：淀粉；納米材料；銀納米顆粒；實驗設計

文章編號：1005-6629（2016）2-0060-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 研究背景

納米材料的合成是現(xiàn)代化學持續(xù)關注和研究的領域，納米材料由于其顆粒極其微?。∣.1～100nm）表面積較大，使其具有顯著的表面效應、量子尺寸效應和量子隧道效應而表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)。銀納米顆粒作為一種具有特殊性能的材料，因為其在醫(yī)學上具有獨特的抗菌性而受到人們的關注。銀納米顆粒能直接進入菌體與氧代謝酶結(jié)合，使菌體窒息而死的獨特作用機制，可殺死與其接觸的大多數(shù)細菌、真菌、霉菌、孢子等微生物。經(jīng)國內(nèi)八大權(quán)威機構(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)十種細菌有全面的抗菌活性；對燒、燙傷及刨傷表面常見的細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。研究發(fā)現(xiàn)，粒徑越小，殺菌性能越強。10nm大小的納米銀顆粒可迅速直接殺死細菌，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致反復發(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生相距甚遠。關于納米材料的化學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。最常用的還原劑實驗現(xiàn)象。塑料盒還減弱了燃燒強光對眼睛的傷害，相當于戴上了護目鏡的效果，整個過程無任何安全隱患。

（2）微型、綠色、低碳、環(huán)保：使用實驗室最小尺寸直徑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，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；塑料盒罩住整個反應裝置，減少了大量煙塵外逸污染環(huán)境。

（3）儀器可多次重復使用：筆者為驗證該實驗的可操作性，重復操作超過十五次，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，其余均為實驗室常見儀器，無需很多成本。整個裝置小巧、輕便、易攜帶，易推廣。結(jié)合上述優(yōu)點，可以將該演示實驗改為學生分組實驗。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，只能在堿性條件下使用。筆者通過查閱相關資料，用葡萄糖可代替NaBH₄作為還原劑制備銀納米顆粒。在校本課程中開設相關實驗，取得了較好的效果。通過實驗，讓中學生對納米材料的一般制備方法和原理有所了解，培養(yǎng)學習興趣，為后續(xù)的大學學習做好準備。

淀粉廣泛地存在于自然界中，是一種重要的多糖類有機物，也是重要的能源物質(zhì)，對人類和動物都具有重要意義。在中學階段，淀粉也是重要的物質(zhì)，常用來檢驗單質(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，推測細胞外聚合物（EPSs）為Ag⁺提供吸附位點，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，實驗重復性好，適合學生動手完成。

2 實驗原理

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 實驗用品及過程

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。取反應液于2個10mL透明試劑瓶中，進行試驗。一個試劑瓶放在帶有磁子的加熱攪拌器中（10min至沸騰），另一個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，本實驗已經(jīng)制得納米級的銀。與文獻報道基本一致。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。當延長加熱時間和增大銀離子濃度時，溶液呈較深的棕色，儀器分析的結(jié)果表明此時銀粒子的半徑較之前變大。因此當溶液出現(xiàn)淺黃色時，即說明實驗成功。

5 實驗條件和反應原理的探究

為鼓勵學生思考，開展對照實驗。（反應物+表示存在，一表示不存在）在實驗中，鼓勵學生自己動手完成分組實驗。探究實驗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過程，取得較好的教學效果。

通過查閱文獻可知，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。當向反應體系中加入電解質(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，導致納米銀的制備失敗。為驗證本實驗中納米銀的形成機理，在對照實驗中我們也加入了少量的NaCl，但對實驗的結(jié)果幾乎沒有影響。那么究竟是什么原因促進納米銀粒子的生成呢？

對照實驗2、3、4，可知直鏈淀粉的存在，對銀納米顆粒制備起到關鍵作用。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?？赡艿那闆r應該是，在螺旋狀的淀粉分子鏈中，仍然有多個羥基暴露在螺旋結(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劑，也使得納米粒子的穩(wěn)定性得到提高。

由實驗5和6可知，檸檬酸三鈉的存在對實驗的結(jié)果也有較大的影響。那么檸檬酸三鈉到底在反應中起到什么作用呢？由反應（I）可知，隨著反應的進行，產(chǎn)生銀原子的同時，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。從這點來考慮，檸檬酸三鈉是一種多元弱酸強堿鹽，它主要起到調(diào)節(jié)反應體系的酸度，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。直鏈淀粉因為其螺旋結(jié)構(gòu)而成為形成納米銀的保護劑，檸檬酸三鈉是反應體系的緩沖劑，調(diào)節(jié)體系的酸度。通過實驗的探究，能讓學生明白納米材料的生長原理和過程，能使學生對納米材料的制備原理及過程有初步認識，能提升學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)學習興趣。endprint