PDF《作品说明书》

R中华民国 第50 届中小学科学展览会 作品说明书 高中组 化学科

040204 镜中银-奈米银之抗菌 学校名称:国立溪湖高级中学 作者: 指导老师: 高二 邱信嘉 高二 陈瑞羚 高二 黄俐绮 高二 吴N 苏佳俊 关键词:奈米银、界面活性剂(SDS) 、PVA 摘要 摘要 摘要 摘要 本实验采取的制程方式是改良自高中化学实验-银镜反应,利用多仑试液,加入葡萄糖 作为还原剂,则可析出金属银并附著於反应容器的表面.

在奈米银制作过程中,我们应用界 面活性剂 SDS(Sodium dodecyl sulfate)吸附在微粒表面上以抑制其凝聚,在这个实验,我们加入 不同剂量的 SDS,并且发现加入 1.5g 的SDS,在410nm 吸光值最高.我们采用 1.5g 的剂量的 SDS,测出吸光值后,采取吸光值最高的奈米银溶液,制作成 PVA 薄膜,并且发现具有抑菌 的效果. 我们将此澄清透明的亮黄色奈米银液体制成的PVA薄膜,等薄膜凝固之后,贴在培养基上, 有的直接用澄清透明的亮黄色液体涂抹,或是不让薄膜凝固直接涂抹,观察抑菌及抗菌效果, 此为本实验重要之论点,也能由此再证明一次此澄清透明的亮黄色液体正是奈米银粒子. 壹壹壹壹、 、 、 、研究动机 研究动机 研究动机 研究动机 现今市面上有许多「奈米银的商品」,「奈米」是近几?来重要的课题,然而奈米科技 将会是未来工业革命推手.奈米化的金属粒子的属性与肉眼所能看见的金属块的属性有显著 的差异.在这充满细菌的环境中,无ㄧ处不是菌,从目前高中阶段所能得到的知识中,以简 单的银镜反应制作出能抗菌的奈米金属粒子,这是我们所能做到的.根拦┪锸称芳煅 局(FDA)研究文献证实:银具有公认的抗菌效果,一般而言,一种抗生素大致可杀死6种 不同的抗生体,但是银却可杀死 600多种细菌,透过高科技奈米技术的方式,使银粒子活性 变大,抗菌功能增强,因此奈米银的杀菌功效最为有效.除此之外,奈米银还有除臭、净水、 防腐、医疗等用途. 银之所以能杀菌而不伤害有益菌和正常细胞,是因为大部分的病原菌是单细胞微生物, 是倚靠蛋白酶来维持新陈代谢,进而繁殖影响正常细胞,在这些蛋白酶之中还有一种氧代谢 酶,当银遇到这种氧代谢酶时,氧代谢酶的活性会抢走银的一个电子,使银原子变成带正电 的银离子,银离子就会吸引蛋白酶中带有负电荷的巯基,病原菌的蛋白酶就会失去活性,无 法再繁殖,而这些病原菌的生存时间只有几十分钟,在无法繁殖下,这些病原菌会自然死亡, 而这些银离子又会得回原本的电子还原成银原子.所以银本身的杀菌功能是不会消失的.图

(二) 奈米银的制备乃是在AgNO3 存在下加入还原剂(HCOH 或NaBH4)还原之,会呈现银奈米 粒子之黄褐色溶液,再以界面活性剂微胞稳定之,避免银奈米粒子聚集造成颗粒变大而沉淀. 奈米银制作过程中,最重要关键在於避免银粒继续长大,或者因凝聚而变大,目前已有不少 化学技巧可使用,?如应用各种保护剂吸附在微粒表面上以抑制其成长或凝聚.其中,有些 保护剂因会选择性地吸附在特定晶面上,故银微粒具有特殊的形状.球形银(左上);

三角形银 (右上);

银丝(左下);

方块银(右下).如图

(一) 奈米粒子在吸收光谱中会有一特定的吸收波带,称为「表面电浆共振」,这是因为当金 属粒子粒径远小於入射光波长时,表面电子因受到入射光激发,引起集体式的偶极4振荡,造 成表面电子偏极化的现象.银奈米粒子的特定吸收波带大约在410 nm,溶液呈黄褐色.这种 表面电浆共振现象会随著金属的种类、粒径、形状及分散溶剂的不同而有所差异,在稀释状 态下,黄色是奈米银所独有,若浓度增加,外观颜色则渐由黄褐色变为墨绿色. 银离子具有很好的杀菌效果,其抗菌原理乃是银离子在接触细菌后,因细胞膜带负电荷, 而银离子带正电荷,二者会产生电荷吸附而?固结合,银离子便穿透细胞膜进入细菌体内, 与蛋白质上的硫氢基(-SH)产生化学反应,造成蛋白质凝固,从而造成细菌死亡.此外,由於 银离子具有较高的还原电位,当细菌被消灭后又会从细菌的铺迳嫌卫氤隼,持续对细菌重 复上述作用,直至所有细菌被消灭. 奈米银的抗菌效果又是如何达成的呢?其抗菌机制为何?学者倾向的解释是金属粒子表 面有一层氧化物,氧化银在水中会水解成银离子与氢氧根离子,其中溶出的银离子便是造成 抗菌效果的根源.2004 ?Sondi 等人曾使用自行合成的奈米银粒子做为抗菌剂,测试它对大 肠杆菌的抗菌效果.研究结果显示与奈米银接触的大肠杆菌,细胞壁上产生了许多小孔?, 奈米银粒子则?积在细胞壁上.细胞壁形成孔?之后会使得细胞壁的透过度显著增加,最后 造成细胞的死亡. 图

(一)(参考 周?生:科学发展) 图

(二) 贰贰贰贰、 、 、 、研究目的 研究目的 研究目的 研究目的

一、改良高中课程中的银镜反应,控制银离子聚集颗粒的大小,并且稳定存,形成胶体溶液.

二、测量不同的 SDS 的克数,找出最适合的量可完整的包覆银离子,使其不再被聚集成银原 子.

三、将奈米银胶体溶液,利用 PVA 制作奈米银薄膜.

四、探测不同的 SDS 浓度制成的 PVA 薄膜对於菌落生长情形的影响.

五、测试奈米银的 PVA 薄膜制品是否拥有抗菌、除臭及表面去污能力.

(二)研究原理

1、银镜反应 银镜反应是银化合物的溶液被还原为金属银的化学反应,由於生成的金属银附著在容 器内壁上,光亮如镜,故称为银镜反应.本实验所制成的银镜反应是正一价的银离子在碱 性和含氨的溶液中,可被葡萄糖还原成银原子.析出的银原子吸附在玻璃表面即生成银色 的镜面.银氨错合物(又称多仑试剂)被醛类化合物还原为银,而醛被氧化为相应的羧酸 根离子的反应. 银镜反应是在氨的碱性溶液中与醛类作用,糖的醛基会被氧化成(-COOH)可得羧 酸及金属银之沈淀,而此沈淀以银镜方式出现,故称银镜反应,又称多仑试验,而银氨离 子之碱性溶液,称为多仑试剂.相对的硝酸银会被还原成银金属:

2、界面活性剂原理 凡一种化合物的分子若拥有-COO- ,-SO3 - ,-OSO3 - 及各级胺基等很容易亲近水分子(强 亲水性)的根基和容易亲近油分子疏离水分子(亲油性疏水性)的烷基,并且亲水基与亲油 基之间有适当平衡时,该化合物就是界面活性剂. 使界面张力(表面张力)减少的现象称为界面活性.界面张力乃源自在界面同类分子间 的引力.化合物的 C2H5-及CH3-等烷基有疏水性,但因为该分子中的-OH 及-COOH 的 亲水性倾向比这些短链烷基之疏水性倾向较好,这就是所谓的溶解.可是因为疏水性烷基的 作用,这种化合物的溶解不是均匀的,而使得一部分的酒精或醋酸的分子被排出水面,把亲 油性的烷基那一部分伸出空中做整齐的排列.(图三)这些分子这麽排列(或者换句话说它 们吸附於表面),减少了界面(表面)分子间的引力,这就是减少界面张力的原理.如果烷 基愈长,在表面吸附的分子就愈多,界面张力之减少也就愈大.(图四) 但是因为分子愈大的醇类对水的溶解度愈来愈小(图五),因此不可能利用高浓度的醇 类溶液做为界面活性剂.幸好醇类和硫酸反应成为硫酸盐之后,可将亲水性小的-OH 变成 亲水性大的-OSO3-基就可以当做界面活性剂来应用: ROH+H2SO4→RO.SO3H+H2O 一般高级醇之硫酸酯盐其与强亲水基稍稍平衡的亲油性烷基之碳数目约在八~十六之 间,而最通用的高级醇硫酸酯盐为十二醇的硫酸酯钠盐(Sodium lauryl sulfate 或Sodium dodecyl sulfate)(图六)它是以十二个碳原子长的烷基和-OSO3-形成平衡状态. (图三) (图四)

3 3 NaNO AgOH NaOH AgNO + → + O H O Ag 2AgOH

2 2 + → ? + + → + + 2OH ) 2Ag(NH O H 4NH O Ag

2 3

2 3

2 O 2H COO O H C 4NH 2Ag 3OH O H C ) 2Ag(NH

2 5

11 5

3 6

12 6

2 3 + + + → + + ? ? + ? ? + + → + + COO O H C 2Ag 3OH O H C 2Ag

5 11

5 6

12 6

(五)取十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate,SDS)粉末 0.5g、1.0g、1.5g、2.0g.

三、液态奈米银实验步骤

(一)用吸量管各取硝酸银 5ml 分别置入

15 支试管中,分别再加入 3ml NaOH 使其生成黑 色的氢氧化银(AgOH)沉淀.

(二)氢氧化银不稳定,很快即分解为黑褐色的氧化银(Ag2O)沉淀.此时,向试管中逐 滴加入 40ml 28%氨水溶液(NH3) ,直至沉淀恰好溶解为止.此时的溶液称为银氨 溶液,银主要以 [Ag(NH3)2] + 的形式存在.

(三)此时为了不让被还原的银原子聚集形成晶体,所以必须先加入十二烷基硫酸钠 (Sodium dodecyl sulfate,SDS)作为界面活性剂,每3支试管一组,分成

5 组,第一 组为对照组不加界面活性剂,其余

4 组再依序加入 0.5g、1.0g、1.5g、2.0g 的SDS, 搅拌

5 至15 分钟使其完全溶解,以保护银离子.

(四)再分别加入葡萄糖 1ml 还原银离子,静置

6 小时,待测其吸光值.

四、实验方程式 全反应: 伍、PVA (Polyvinyl alccohol) 的配置 PVA 的溶解方法(本实验采用 BP 型) (........