纳米材料的制备在中学教学实践中的应用

胡佚

摘 要：纳米材料由于其特殊性质在生物医学中的应用引起人们越来越多的关注。以纳米金、纳米银为研究对象，探讨了两类材料在中学实践教学中的应用。

关键词：纳米材料；制备；中学教学；实践

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于1-100nm尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米颗粒具有许多不同于宏观材料的独特的物理、化学性能，在生物医学应用上有很大的潜力，如癌症的诊断、细胞成像、药物运输、肿瘤热疗等。在各个领域引起人们越来越多的关注，并被高度商业化。

一、纳米银

目前的研究表明，纳米银具有抗炎作用并能促进伤口的愈合。很久之前人们就知道银具有抗菌性并把它应用到生活中。从早期的希波克拉底医生的溃疡治疗到克雷德医生的新生儿脑脊液淋球菌感染治疗。磺胺嘧啶银盐是治疗烧伤病人的金标准。由于抗生素耐药菌的出现和医院获得性细菌感染发病率的增加，银和纳米银备受关注。银离子对人体的毒性使银的使用受到限制；然而，纳米技术促进了具有较大比表面积、较小的颗粒及更强抗菌性的银粒子的生产，重要的是，它对人体的毒性更低。纳米银包括纳米结构银原子，是金属粘合在一起形成的。在纳米尺度，由于量子力学的主导地位，粒子具有不同的物理、光学和化学性质。这些独特的性能在生物医学影像和表面感应装置如增强拉曼散射单步免疫测定中得到开发和应用。

银的抗菌性是众所周知的，比如目前在临床治疗烧伤病人。银和纳米银在水溶液中释放银离子，从而起到杀菌的效果。这种机制尚未完全阐明，但从最近的研究发现此机制涉及相互作用。据认为，银离子与细菌细胞的三个主要成分结合产生杀菌作用：细胞壁肽聚糖和细胞膜；细菌细胞质DNA；细菌蛋白，特别是酶参与重要的细胞过程，如电子传输链。

二、纳米银的制备

纳米技术和现代的化学合成技术是合成纳米银的特征方法。每种方法都有其优点和局限性。所使用的合成方法将会影响一些参数，包括平均粒径和大小、粒度分布等。有文献报道了一种非常新颖和巧妙的方法，最常见的是，通过减少硝酸银使用还原剂（如硼氢化钠还原）或通过紫外光。然而，有报道一些替代的“绿色”化学合成路线。封端剂，如柠檬酸盐，用于防止纳米粒子的聚集。在化学还原反应中，还原剂提供给银离子（Ag+）电子，促使银离子还原为金属音。通过控制实验条件（如温度、能量输入、覆盖剂的存在），操纵反应动力学，使聚类的银原子形成纳米尺寸的纳米银。纳米银的生物合成已经实现并被应用到不同种类的细菌和真菌。这些方法有着共同的特点，即添加硝酸银溶液到一个微生物的上清液中。还原剂，如微生物上清液中的氢醌，能使Ag+在一定条件下（如温度）转变成纳米银。这种方法的明显缺点是需要纯化的样品和提取纳米银，因为病原菌可能会污染应用于医学的纳米银。

三、纳米金

纳米金也是常用的一种纳米材料。金纳米粒子是目前研究最多的纳米材料之一。简单的制备方法、良好的生物相容性、优异的催化活性、独特的物理和光学性质使纳米金成为研究热点。纳米金具有非常特殊的光学性质，主要表现在对光的吸收和散射两方面。当其吸收光时，由于表面等离子体共振的存在，一方面可以使纳米金将光能高效地转换为热能，另一方面也会根据纳米金粒径、形状的不同而产生不同的颜色变化。而当其发生光散射时，不仅会发生等离子体共振散射，还能增强拉曼散射的信号强度。此外，纳米金与其他荧光物质作用时表现出荧光增强和荧光淬灭两种不同的效应，其荧光寿命极短，非常适合对一些特异性物质进行检测。除了光学性质，纳米金還具有比表面积大、表面易修饰、生物相容性好、催化活性高等诸多优秀的物化性质。

四、纳米金的制备

目前研究者大多采用化学方法和物理方法来制备纳米金粒子，纳米金的化学制备方法主要有氧化还原法、电化学法、紫外光分解法等。其中，利用柠檬酸钠还原氯金酸是应用最早的一种制备纳米金的方法，该方法到目前为止依然被研究人员所广泛使用。其方法是先将氯金酸溶液与水过滤后加热至沸腾，然后再加入过滤后的柠檬酸钠，混合均匀，待溶液颜色由浅黄色变为酒红色即为所得胶体金溶液。相对物理方法而言，化学方法由于操作要求更低、粒子不易发生团聚、能够根据研究需求改变粒子尺寸大小等优点，因而更适合在实际研究中使用。

五、展望

纳米材料在医疗领域得以应用。目前正在研究临床前阶段的许多新的潜在应用。随着现代生物技术的发展和医疗技术的进步，在不久的将来，纳米材料制备和表征将更多地进入中学实践教学环节，从而培养中学生科学探索的兴趣。现代教育提出了培养中学生自主学习、自主探究的理论。纳米技术顺应了这一主张。纳米技术足以满足学生自主学习和自主探究的学习需求。站在研究的立场上，纳米技术必将引起教育方式包括职业教育方式的革命，全方位、立体化的高效、成功、经济的中学教育时代必将到来。

编辑 李琴芳