納米材料的制備在中學(xué)教學(xué)實踐中的應(yīng)用

胡佚

摘 要：納米材料由于其特殊性質(zhì)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用引起人們越來越多的關(guān)注。以納米金、納米銀為研究對象，探討了兩類材料在中學(xué)實踐教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米材料；制備；中學(xué)教學(xué)；實踐

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于1-100nm尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米顆粒具有許多不同于宏觀材料的獨特的物理、化學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上有很大的潛力，如癌癥的診斷、細胞成像、藥物運輸、腫瘤熱療等。在各個領(lǐng)域引起人們越來越多的關(guān)注，并被高度商業(yè)化。

一、納米銀

目前的研究表明，納米銀具有抗炎作用并能促進傷口的愈合。很久之前人們就知道銀具有抗菌性并把它應(yīng)用到生活中。從早期的希波克拉底醫(yī)生的潰瘍治療到克雷德醫(yī)生的新生兒腦脊液淋球菌感染治療。磺胺嘧啶銀鹽是治療燒傷病人的金標準。由于抗生素耐藥菌的出現(xiàn)和醫(yī)院獲得性細菌感染發(fā)病率的增加，銀和納米銀備受關(guān)注。銀離子對人體的毒性使銀的使用受到限制；然而，納米技術(shù)促進了具有較大比表面積、較小的顆粒及更強抗菌性的銀粒子的生產(chǎn)，重要的是，它對人體的毒性更低。納米銀包括納米結(jié)構(gòu)銀原子，是金屬粘合在一起形成的。在納米尺度，由于量子力學(xué)的主導(dǎo)地位，粒子具有不同的物理、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)。這些獨特的性能在生物醫(yī)學(xué)影像和表面感應(yīng)裝置如增強拉曼散射單步免疫測定中得到開發(fā)和應(yīng)用。

銀的抗菌性是眾所周知的，比如目前在臨床治療燒傷病人。銀和納米銀在水溶液中釋放銀離子，從而起到殺菌的效果。這種機制尚未完全闡明，但從最近的研究發(fā)現(xiàn)此機制涉及相互作用。據(jù)認為，銀離子與細菌細胞的三個主要成分結(jié)合產(chǎn)生殺菌作用：細胞壁肽聚糖和細胞膜；細菌細胞質(zhì)DNA；細菌蛋白，特別是酶參與重要的細胞過程，如電子傳輸鏈。

二、納米銀的制備

納米技術(shù)和現(xiàn)代的化學(xué)合成技術(shù)是合成納米銀的特征方法。每種方法都有其優(yōu)點和局限性。所使用的合成方法將會影響一些參數(shù)，包括平均粒徑和大小、粒度分布等。有文獻報道了一種非常新穎和巧妙的方法，最常見的是，通過減少硝酸銀使用還原劑（如硼氫化鈉還原）或通過紫外光。然而，有報道一些替代的“綠色”化學(xué)合成路線。封端劑，如檸檬酸鹽，用于防止納米粒子的聚集。在化學(xué)還原反應(yīng)中，還原劑提供給銀離子（Ag+）電子，促使銀離子還原為金屬音。通過控制實驗條件（如溫度、能量輸入、覆蓋劑的存在），操縱反應(yīng)動力學(xué)，使聚類的銀原子形成納米尺寸的納米銀。納米銀的生物合成已經(jīng)實現(xiàn)并被應(yīng)用到不同種類的細菌和真菌。這些方法有著共同的特點，即添加硝酸銀溶液到一個微生物的上清液中。還原劑，如微生物上清液中的氫醌，能使Ag+在一定條件下（如溫度）轉(zhuǎn)變成納米銀。這種方法的明顯缺點是需要純化的樣品和提取納米銀，因為病原菌可能會污染應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的納米銀。

三、納米金

納米金也是常用的一種納米材料。金納米粒子是目前研究最多的納米材料之一。簡單的制備方法、良好的生物相容性、優(yōu)異的催化活性、獨特的物理和光學(xué)性質(zhì)使納米金成為研究熱點。納米金具有非常特殊的光學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)在對光的吸收和散射兩方面。當其吸收光時，由于表面等離子體共振的存在，一方面可以使納米金將光能高效地轉(zhuǎn)換為熱能，另一方面也會根據(jù)納米金粒徑、形狀的不同而產(chǎn)生不同的顏色變化。而當其發(fā)生光散射時，不僅會發(fā)生等離子體共振散射，還能增強拉曼散射的信號強度。此外，納米金與其他熒光物質(zhì)作用時表現(xiàn)出熒光增強和熒光淬滅兩種不同的效應(yīng)，其熒光壽命極短，非常適合對一些特異性物質(zhì)進行檢測。除了光學(xué)性質(zhì)，納米金還具有比表面積大、表面易修飾、生物相容性好、催化活性高等諸多優(yōu)秀的物化性質(zhì)。

四、納米金的制備

目前研究者大多采用化學(xué)方法和物理方法來制備納米金粒子，納米金的化學(xué)制備方法主要有氧化還原法、電化學(xué)法、紫外光分解法等。其中，利用檸檬酸鈉還原氯金酸是應(yīng)用最早的一種制備納米金的方法，該方法到目前為止依然被研究人員所廣泛使用。其方法是先將氯金酸溶液與水過濾后加熱至沸騰，然后再加入過濾后的檸檬酸鈉，混合均勻，待溶液顏色由淺黃色變?yōu)榫萍t色即為所得膠體金溶液。相對物理方法而言，化學(xué)方法由于操作要求更低、粒子不易發(fā)生團聚、能夠根據(jù)研究需求改變粒子尺寸大小等優(yōu)點，因而更適合在實際研究中使用。

五、展望

納米材料在醫(yī)療領(lǐng)域得以應(yīng)用。目前正在研究臨床前階段的許多新的潛在應(yīng)用。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)療技術(shù)的進步，在不久的將來，納米材料制備和表征將更多地進入中學(xué)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從而培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)探索的興趣。現(xiàn)代教育提出了培養(yǎng)中學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究的理論。納米技術(shù)順應(yīng)了這一主張。納米技術(shù)足以滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主探究的學(xué)習(xí)需求。站在研究的立場上，納米技術(shù)必將引起教育方式包括職業(yè)教育方式的革命，全方位、立體化的高效、成功、經(jīng)濟的中學(xué)教育時代必將到來。

編輯 李琴芳