CN112142156A - 制备小分子团水的设备和方法以及由其制得的小分子团水 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备小分子团水的设备和方法以及由其制得的小分子团水。该设备包括一或多个照光装置及具承载体承载可产生表面电浆共振的金属颗粒。本发明结合纳米金属颗粒的电浆效应与照光提供能量增强电浆效应，利用热电子将水分子团中的氢键打断，形成分子团较小的小分子团水。

Description

制备小分子团水的设备和方法以及由其制得的小分子团水
本申请是申请日为2014年6月20日，申请号为201410280968.4，发明名称为“制备小分子团水的设备和方法以及由其制得的小分子团水”的申请的分案申请。
技术领域
本发明系关于处理水的设备和方法，以及经该设备或方法处理而得的水。特定言之，本发明系提供制备小分子团水的设备和方法，以及经该设备或方法处理而得的小分子团水。
背景技术
水(化学式：H2O)是由氢、氧两种元素组成的无机物，在常温常压下为无色无味的透明液体。水是所有生命生存的重要资源，也是生物体最重要的组成部分。水的构成元素及分子结构使得其具有许多独特的性质，特别是氢键的形成。其结构中分别有两个可产生氢键的受体与产生氢键的予体，水分子间透过氢键的形成而产生不同的水结构，如类似于冰的四面体、二聚体及多聚体。因此，一般将微观的水分子称为水分子团(water cluster)；水分子团是一种不连续的氢键结构形成的水分子簇合物。小的水分子团较易打开氢键并分开成单一的水分子，而具有较强的渗透力及吸收速度，因此可迅速通过细胞膜的水通道，比大分子团的水更能帮助物质进入细胞并促进新陈代谢。
将水煮沸或气化的水蒸气为小分子水，但冷却至室温后及形成团聚的大分子团。一般团聚的水加入氢气可具有抗氧化功效，但氢气的溶解度不高，很短的时间内氢气即会逸散到大气的中。经升温及高压的方式可分别提高水中固体与气体的溶解度，但须额外的设备与制程使能达到此效果；再者，当回复到常温及常压下，溶解度即恢复为一般状态，失去增加溶解的功能。
中国台湾新型专利第M382845号揭示一种复合型过滤组件及具有该过滤组件的过滤装置，其复合材层由多数个含有纳米贵金属与甲壳素的复合物所形成，该等复合物各包括一甲壳素基材，及多数个分别吸附在该甲壳素基材表面的贵金属纳米粒子。藉由该第一复合材层的贵金属纳米粒子与通过的流体作用可达到去除流体中有害物质及抗菌、除臭的效果，再配合甲壳素吸附杂质的特性，使具有较佳的过滤与吸附效能。但经该过滤设备的水仍无法达到令人满意的小分子团。
美国专利第5,800,576号关于一种水分子团组合物，其特征在于伸出、去局部化的pπ轨域而具高氧反应性。该专利设计超音波喷头，与先前揭露的装置差别在于喷头组成中含有镍或镍合金，在喷出同时能破坏水分子间的作用力，得到水分子团，水分子团内含水分子数在5～300个的间，此水分子欉具有高氧反应特性，然而此特性只限于瞬间喷雾形态的微小水粒子。
美国专利公开第20110218251A号揭露一种具固态安定水分子团的产物，包括藉经内部电场的电偶极交互作用而彼此连接的复数个水分子且具有围绕该固态安定水分子团的电场的永久电偶极距。此专利申请案揭露一种具固态安定水分子团的产物，藉由水分子团周围电偶极作用力，形成具安定性的纳米至微米尺寸水分子团粒子。将超纯水在腔室下经氩气填充并避免与二氧化碳接触，经加入添加物(氯化钠、维他命、氨基酸、激素、蛋白质、酶、多肽、多醣、DNA或RNA等有机或无机物)与水产生偶极作用力，形成安定的水分子团。但此专利案需藉由添加物达到功效，并非为纯净的水溶液。
美国专利公开第20110089049A号提供一种处理水以增加溶氧的电解方法；该方法进一步经由水分子团而增加基团的分布与暴露。该专利揭露一种得到单一水分子团的方法，主要将水分子限制在纳米环境的材料下，材料包含纳米碳管、石墨烯纳米层、纳米环境中掺杂元素、氮、合金、钯、钯-金、钯-银，水分子团大小为0.5～100纳米，但无法连续制造。
美国专利公开第20110039951A号揭露一种方法，包括提供一纳米环境及限制重或轻水于该纳米环境使的至少一水分子团形成。然而，上述方法处理的水均无法达到令人满意的小分子团。
美国专利公开第20130056355A号提供一种电磁场水处理系统，此专利揭露一种以电场-磁场的水处理装置，当水通过含有稀土元素镧、钇、铈、镨、钕、钐、钛与锌成分的铁管后，将水的电子激发形成电场，再流通具永久磁铁装置的管子，经由电场与磁场处理，将部分水分子间氢键打断。此专利主要揭露水处理装置，但在处理后，并无法达到令人满意的小分子团，此外，稀土元素种类过于繁多且复杂。
因此，本技艺中仍有制备更小分子团水的需要，以得到较具渗透力及较佳吸收速度，更有益健康的小分子团水。
发明内容
本发明系提供一种小水分子团的水处理设备，该设备包括一或多个照光装置及一或多个承载体承载可产生表面电浆共振的金属颗粒。较佳地，该承载体为具一或多个入口端及一或多个出口端的中空透光管柱，该透光管柱充填产生表面电浆共振的金属颗粒。藉由使用本发明的设备，本发明提供一种制备小分子团水的方法。
本发明亦提供一种根据本发明设备或方法制得的小分子团水。在一具体实施例，该小分子团水具有特定的拉曼光谱(raman spectrum)、红外线吸收光谱、蒸发速率、溶解度、最大溶氧量及蒸气压等特性。
附图说明
图1为本发明设备的一具体实施例的示意图。
图2为本发明设备的另一具体实施例的示意图。
图3为紫外光-可见光吸收光谱图；制备的纳米金水溶液(实线)；有纳米金沉积的陶瓷粒(虚线)。
图4为不同水样品的拉曼光谱分峰图。
图5为不同比例小分子团水与去离子水降低水结构中氢键的能力表现。
图6为不同光源在不同曝光时间下对小分子团水制造的影响。
图7为小分子团水与去离子水的红外线吸收光谱图。(a)去离子水(虚线)；(b)小分子团水(实线)。
图8为去离子水与小分子团水单位时间(每小时)的蒸发量。
图9为不同比例小分子团水与去离子水去除DPPH自由基的能力表现。
图10为小分子团水于Fenton试剂中去除氢氧自由基的能力表现。
图11为不同LPS(诱发细胞发炎试剂)剂量下小分子团水降低一氧化氮释放的能力(以去离子水当作对照组实验)。
图12为不同食盐水溶液在0.1V s-1扫描率与3mm直径平面铂电极的伏安数据；(a)30 mM K3Fe(CN)6的1个电子参与反应；及(b)1mM对苯二酚的2个电子参与反应。
图13为相较于DI食盐水
Figure RE-GDA0002775248540000032
AuNT食盐水()及
Figure RE-GDA0002775248540000033
食盐水在减少脂多醣(LPS)-诱导的NO释出的抗氧化活性；*,p,0.05；**,p,0.01；***,p,0.001。
图14(a)及(b)分别显示以移除浓度70％的血液尿素氮(a)及肌酸酐(b)所需时间为基准，使用DI食盐水及sAuNT食盐水所需的处理时间。
图15(a)、(b)及(c)显示体外仿真血液透析实验，于透析中将AK管(B3-1.0A)涂覆纳米金并照光，以移除血液尿素氮(BUN)的效率(a)、移除肌酸酐(CREA)的效率(b)及移除血液代谢物中的其他中型分子(B12)的效率(c)。
图16为本发明小分子团进行PCR反应的电泳凝胶图谱。
具体实施方式
由于水中氢键的存在，一般水是以四面体水分子团(tetrahedrally hydrogen-bonded water molecules；water cluster)的形式存在，当水分子受到能量、高压或有电解质存在时，氢键会变得较弱，使得四面体结构遭受破坏，进而形成小分子团水(small waterclusters)。本发明结合纳米金属颗粒的电浆效应与照光提供能量增强电浆效应，利用热电子(hot electron)将水分子团中的氢键打断，形成分子团较小的小分子团水。
在一方面，本发明系提供一种小水分子团的水处理设备，该设备包括一或多个照光装置及一或多个承载体承载可产生表面电浆共振的金属颗粒，其限制条件为该承载体可容许光照射至金属颗粒。
根据本发明，任何适合承载本发明所述的金属颗粒的承载体均可用于本发明设备。较佳地，本发明承载体为一容器、透光管柱或固体撑体。根据本发明的一具体实施例，该设备的透光管柱具有具一或多个入口端及一或多个出口端；较佳为管柱出口端较入口端窄且另具一开关控制阀。根据本发明的另一具体实施例，该固体撑体为聚合物撑体。根据本发明的另一具体实施例，该容器为开放式中空容器或具一或多个入口端及一或多个出口端的中空容器。较佳地，该中空容器为中空浅盘型，较佳地，该中空容器璧具透光性。
根据本发明的一具体实施例，该照光装置为提供波长为100nm至3,000nm的光源；较佳为提供波长为380nm至780nm的光源；更佳为提供波长为500nm至600nm的光源 (对纳米银波长为380nm至480nm的光源更佳)。根据本发明的一具体实施例，该照光设备为日光灯、LED灯、灯泡、水银灯泡、复金属灯、钠光灯或卤素灯；较佳为LED绿光灯。
根据本发明，任何可透光材质均可用于本发明的透光管柱。根据本发明的一具体实施例，该透光管柱为玻璃管柱或塑料管柱。
根据本发明，该承载体承载或充填有产生表面电浆共振的金属颗粒。电浆(Plasma) 是一种存在于金属与介电质表面的物理现象，可藉由外加电子或光子来激发薄金属层和介电层界面间的表面电浆波(Suraface plasmon wave SPW)，乃是TM-wave入射光藉由耦合器的耦合来激发存在于金属与介质界面的间的自由电子(或载子)，形成一集体的纵向共振效应(collective longitudinal resonance)。根据本发明的一具体实施例，该金属颗粒为纳米金属颗粒；较佳为纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铂金颗粒、纳米铑颗粒、纳米铜颗粒、纳米镍颗粒、纳米锆颗粒、纳米钛颗粒或纳米合金颗粒(如锆镍铜合金)、纳米二氧化钛颗粒或其组合；更佳为纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米金/银组合颗粒或纳米金/ 二氧化钛组合颗粒。根据本发明的另一具体实施例，该纳米金属颗粒可与其他材料复合形成纳米金属复合物；较佳金属为金、银、铂金、铑、铜、镍、锆、钛或合金，较佳复合材料为甲壳素或陶瓷；具体实施例包括，但不限于，纳米金陶瓷颗粒或纳米金甲壳素颗粒；最佳为纳米金陶瓷颗粒。根据另一具体实施例，该纳米金属颗粒的粒径为0.1至1000 纳米；较佳为1至100纳米。在另一具体实施例，本发明金属颗粒为球状、圆柱状、椭圆球状、长方体状或正方体状。
任何已知的方法均可用于本发明纳米颗粒的制备；例如，雷射消熔法(laserablation method)、金属气相合成法(metal vapor synthesis method)、化学还原法(例如电化学还原法及声波电化学法)。
在另一方面，本发明提供一种制备小分子团水的方法，其包括提供复数个产生表面电浆共振的纳米金属颗粒的承载体，将水与该等纳米金属颗粒接触并照光后得到该小分子团水。较佳地，本发明方法其系使用本发明的设备；特别是，使用本文中所述任一具体实施例的本发明设备。本发明设备的使用方法系将水导入本发明设备的承载体并以照光装置照光；该水通过管柱中的金属颗粒后，由于金属颗粒具有特殊的表面电浆共振 (Surfaceplasmon resonance；SPR)效应，在照光的情况下，吸收特定波长的能量(本发明约为538nm)，可产生SPR效应，进而将水分子团中的部份氢键打断。光与电浆的作用使得该水的氢键变弱形成小分子团水。此小分子团水可长期稳定存在(至少3天以上)，具有特殊的性质与功能。
图1为本发明设备的一具体实施例的示意图。参照到图1，本发明设备具有照光装置 1及透光管柱2。透光管柱2具有一入口端5及一出口端6，出口端6较入口端5窄，而靠近出口端6处具有一开关控制阀4。透光管柱2中充填有纳米金陶瓷颗粒3。
处理的水由透光管柱2的入口端5进入管柱2，照光装置1照光提供能量7(例如以日光灯或LED绿光照射提供能量)，使纳米金陶瓷颗粒3吸收特定波长的能量(例如约538nm)后，产生特殊的表面电浆共振(Surface plasmon resonance；SPR)效应，进而将水分子团中的部份氢键打断，形成小分子团水。打开透光管柱2的开关控制阀4，而自出口端6收集经处理的小分子团水。
图2为本发明设备的另一具体实施例的示意图。参照到图2，本发明设备具有照光装置1及开放式中空容器8。中空容器8具有一入口端9及一出口端10。中空容器8中充填有纳米金陶瓷颗粒3。处理的水由中空容器8的入口端9进入承载体8，照光装置1照光提供能量7(例如以日光灯或LED绿光照射提供能量)，使纳米金陶瓷颗粒3吸收特定波长的能量(例如约538nm)后，产生特殊的表面电浆共振(Surface plasmon resonance；SPR)效应，进而将水分子团中的部份氢键打断，形成小分子团水，接着自出口端10收集经处理的小分子团水。在本发明的另一具体实施例，本发明提供一种设备，其装置及链接关系类似图2，差别仅在于该中空容器为不具入口及出口端的中空容器。
在一具体实施例，本发明照光时间为5分钟至480分钟；较佳为5分钟至240分钟或10 分钟至240分钟。
在另一方面，本发明提供一种根据本发明设备或方法制得的小分子团水。在一具体实施例，该小分子团水具有特定的拉曼光谱(Raman spectrum)、红外线吸收光谱、蒸发速率及溶解度等特性。
拉曼光谱常用于研究水分子作用力表现，拉曼位移约2600～4000cm-1所代表的为水分子的OH伸缩振动，由高斯函数分峰(deconvolution)可将此范围的讯号分出五个带(band)，不同的水样品分峰时的原则为，五个带的位置均固定，使用各水样品的半宽高值(full width at half maximum；FWHM)皆一样，其中心点位置分别为约3018、约3223、约3393、约3506及约3624cm-1，前三个位置为水分子间的强氢键所贡献，后两者主要分别为弱氢键及无氢键的组成(J.Raman Spectrosc.2009,40,1200；Vib.Spectrosc.2012,62,pp.110-114；J.Chem.Phys.1998,Vol.108,No.7,pp.2669-2675)，后两者带的积分面积除以五个带的面积总和的值，定义为所量测的水分子中所代表的无氢键程度(无氢键作用力强度)的含量百分比。具体言之，光谱数据分峰分析系将OH伸缩振动讯号分峰位置设定于3018cm-1、3223cm-1、3393cm-1、3506cm-1及3624cm-1，且每个样品分峰时，使用各水样品的半宽高值皆一样。其中位于3506cm-1及3624cm-1，分别属于弱氢键及无氢键的组成带的面积，与整体OH伸缩振动峰的面积(即3018cm-1、3223cm-1、3393cm-1、3506 cm-1及3624cm-1等五个带的面积积分总和)比值，定义为无氢键程度(包括弱氢键与无氢键程度)。一般而言，去离子水的无氢键程度为21.29％。当氢键被破坏时，在拉曼光谱中显示，强氢键的带强度(面积)减小，取而代的的为弱氢键与无氢键的带强度上升(J. Chem.Phys.1981,75,4264)。因此，拉曼光谱可用于代表本发明的小分子团水的特性，其中本发明小分子团水的水中无氢键程度为大于约22％；较佳为大于约23.0％、约23.5％、约24％、约24.11％、大于约25％、大于约26％、大于约27％、大于约28％、大于约29％、大于约30％、大于约30.31％、大于约31％、大于约32％、大于约33％、大于约34％或大于约35％。较佳地，本发明小分子团水的水中无氢键程度为约24％至约50％、约24％至约 45％、约24％至约40％或约24％至约32％。在另一具体实施例，拉曼光谱另包含在拉曼分峰中心点位置在约3506cm-1及约3624cm-1的拉曼位移分别为大于15.0％及6.0％，其中该百分比的计算为在约3506cm-1的带的积分面积除以在约3018cm-1、约3223cm-1、约3393 cm-1、约3506cm-1及约3624cm-1等五个带的积分面积总和；较佳分别为约16％及约7％或分别为约16.7％及约7.3％。在本具体实施例中，百分比代表在约3506cm-1的带的积分面积对在约3018cm-1、约3223cm-1、约3393cm-1、约3506cm-1及约3624cm-1等五个带的积分面积总和的五个带的积分面积的总合的比例。
红外线光谱在约3090～约3640cm-1范围内为水的OH伸缩振动，可分为两部分，波长约3090～约3310cm-1的特征峰为三重氢键(高密度氢键)所贡献，波长约3310～约3640cm-1的特征峰代表无氢键、单一氢键与双氢键水分子(J.Phys.Chem.B,2012,116,10609)。根据另一具体实施例，本发明小分子团水亦具特定的红外线吸收光谱，其中属于水分子三重氢键的特征峰波长(范围：约3090～约3310cm-1)，以及属于水分子无氢键、单一氢键与双氢键的特征峰波长(范围：约3310～约3640cm-1)，分别由约3170(去离子水的特征峰位置)蓝移至约3175cm-1，及由约3449(去离子水的特征峰位置)蓝移至约3454cm-1。具体言之，红外线光谱的三重氢键的波长约3090～约3310cm-1的特征峰及无氢键、单一氢键与双氢键水分子的波长约3310～约3640cm-1的特征峰分别由约3170cm-1蓝移至约3175cm-1以上及由约3449cm-1蓝移至约3454cm-1以上。较佳为由约3170蓝移至约3183cm-1以上，由约3449蓝移至约3461cm-1以上。
根据另一具体实施例，本发明小分子团水相较于去离子水，具有较高的蒸发率，其中小分子团水的蒸发量均高于去离子水约3％/1小时以上；较佳为高于约7.2％/1小时以上；较佳范围为高于约7～12％/1小时。去离子水的电阻为18.2MΩcm，由MilliQ system 提供。
根据另一具体实施例，本发明小分子团水在约1大气压、约22.8℃下对氯化钠具有大于约37g dL-1的溶解度；较佳为约41.3g dL-1的溶解度；较佳范围为约38.5～约40.5g dL-1的溶解度。根据另一具体实施例，本发明小分子团水在约1大气压、约22.8℃下具大于约21mg L-1的最大溶氧量；较佳为约23.8mg L-1的最大溶氧量；较佳范围为约21.5～约23.0mg L-1的最大溶氧量。
本发明设备及方法可有效将水中强氢键结构破坏形成弱氢键与无氢键结构，形成小分子团水的结构，因此具有特殊的性质与功能。在一具体实施例，以去离子水当作对照组(无氢键程度为约21.29％)，小分子团水中无氢键程度为约24.11％，小分子团水与去离子水比较，水中结构无氢键程度可提高约13％，其计算为：(24.11％-21.29％)/(21.29％) ×100％。
根据另一具体实施例，本发明小分子团水中自由的OH伸缩振动(无氢键键结)，可与聚乙二醇400(polyethylene glycol 400；PEG400；分子量为400)，形成氢键键结，因此以水份计(例如Metrohm 870KF Titrino plus)量测小分子团水溶于PEG400的量测值会小于实际配制值的约2％以上；较佳为约3％以上、约4％以上、约5％以上、约6％以上、约7％以上、约8％以上、约9％以上或约10％以上。
根据另一具体实施例，本发明小分子团水在约25℃时，小分子团水的饱和蒸汽压比去离子水的饱和蒸汽压高约3.0％以上；较佳约4.0％以上、约5.0％以上、约6.0％以上、约7.0％以上、约8.0％以上、约8.9％以上、约9.0％以上或约10.0％以上。
由于本发明的小分子团水系经由含前述金属颗粒处理而制造的水；根据另一具体实施例，基于感应耦合电浆质谱分析仪(inductively coupled plasma-massspectrometer； ICP-MS)，本发明的小分子团水中会残留贵金属；较佳的残留浓度为约0.05ppb以上；更佳为约0.1ppb以上、约0.2ppb以上、约0.3ppb以上、约0.4ppb以上、约0.5ppb以上、约 0.6ppb以上、约0.7ppb以上、约0.8ppb以上、约0.9ppb以上、或约1.0ppb以上。而去离子水中的金属浓度为约0.03ppb。
本发明的小分子团水具有异于一般水的特殊性质；如常温与常压下可增高水中固体与气体的溶解度及水分子间的氢键较弱等等，且此小分子团水在常温常压下可长期稳定存在。例如，可稳定存在至少2天；较佳为至少3天。当本发明小分子团水与其他成分混合后，由于其他成份会与无氢键或弱氢键的小分子团水结合，使得小分子水团维持其小分子团，不会再度聚集成为大分子团水而失去小分子团水的特性及优点；因此本发明小分子团水在产业应用后仍能维持其小分子团的特性及优点，具实用价值。本发明的小分子团水具特殊性质，因此可有效去除自由基、抑制细胞发炎时一氧化氮的释放，达到抗氧化与抗发炎的效果。此外，本发明小分子团水亦可用于血液透析时，提高水对血液中废物的移除速率，可作为血液透析液用水等等。
据此，在另一方面，本发明提供一种本发明小分子团水作为血液透析液的用途。本发明亦提供一种处理血液透析液的方法，其包括将血液透析用水与纳米金属颗粒接触并照光后得到具本发明小分子团水及使用该水配制血液透析液。本发明另提供一种血液透析装置，其包括涂覆纳米金属颗粒的血液透析袋或血液透析管。使用本发明小分子团水进行血液透析，以移除浓度70％的血液尿素氮与肌酸酐所需时间为基准下，处理过后的水所需时间分别减少了47％和59％。此外，本发明小分子团水亦能降低脂多糖(Lipopolysaccharide)诱发发炎细胞所产生的一氧化氮，使得血液透析更有高效率且安全。
在另一方面，本发明提供一种本发明小分子团水用于聚合酶链锁反应(PCR)的用途。在本发明的小分子团水中进行PCR反应，其反应效率可增加3倍以上(与去离子水dd H2O中反应比较)，显示小分子团水可有效增进PCR反应。
由于水本身即具有非常广泛的应用，因此本发明的小分子团水可应用于化妆品、医药、医美、生物制药、能源及各种物理、化学产品等等，深具产业应用效果。
实例1本发明小分子团水的制备
先将纳米金先烧结沉积于陶瓷粒(92％SiO2，40mesh)的表面制成纳米金陶瓷颗粒，再将100毫升的纳米金陶瓷颗粒置于透明玻璃管内，在照光的情况下，将去离子水以1cc/min的流量下流经玻璃管，即可制造小分子团水。
实例2本发明小分子团水的拉曼光谱
将纳米金表面电浆共振光谱以珀金埃尔默(PerkinElmer)型号Lambda 800/900的仪器量测，将样品置于3mL的石英槽，以水为背景值，扫描速率为750nm/min，纳米金粒子溶液最大吸收带位于519nm(图3中的实线)。纳米金陶瓷粒表面电浆共振光谱以珀金埃尔默(PerkinElmer)型号Lambda 800/900的仪器量测，扫描速率为750nm/min，由积分球测其反射讯号，以湿润态的陶瓷粒为背景值，得到纳米金于陶瓷粒上的表面电浆共振光谱于538nm。由紫外光-可见光吸收光谱图中可发现，制备的红色纳米金水溶液其最大吸收带位于519nm，而将纳米金沉积于陶瓷粒后会有稍微聚集现象，其最大吸收带会位移至538nm。由图3中的虚线可知，在整个可见光区的能量均能让纳米金吸收，以产生 SPR效应，但若光源波长集中在538nm附近，将可产生更强的SPR效应。
将去离子水(对照组)、或实例1的小分子团水或过滤水(正对照组)进行拉曼光谱分析，其中过滤水的制造与小分子团水类似，差别在过滤水为去离子水流过无纳米金沉积的陶瓷粒。超小分子团水的制造则为将微量的去离子水静置在纳米金沉积的陶瓷粒表面，直接进行拉曼光谱量测。各0.5毫升的去离子水、或小分子团水或过滤水布满圆底容器中，其中底部置入直径为0.7公分的圆形银片，以显微拉曼光谱仪(Micro Ramanspectrometer,型号UniRAM-Raman,购自佐信科技)进行鉴定，经显微镜对焦于银片表面后，以波长532纳米的雷射在量测范围2600～4000cm-1中，每次曝光时间为1秒，经重复扫描累积30次后，得到OH伸缩振动讯号并进行数据分峰分析。超小分子团水进行拉曼光谱量测时，将以去离子水润湿的纳米金陶瓷粉布于银片表面，经显微镜对焦于纳米金陶瓷粉表面后，以与上述去离子水相同的方式量测，拉曼光谱量测结果，请见图4。
光谱数据分峰分析系将OH伸缩振动讯号分峰位置设定于3018cm-1、3223cm-1、3393cm-1、3506cm-1及3624cm-1，且每个样品分峰时，使用各水样品的带的半宽高值皆一样。其中位于3506cm-1及3624cm-1，分别属于弱氢键及无氢键的组成带的面积，与整体OH 伸缩振动带的面积比值，定义为无氢键程度(包括弱氢键与无氢键程度)。
以去离子水当作对照组(无氢键程度为21.29％)，小分子团水中无氢键程度为24.11％，小分子团水与去离子水比较，小分子团水中结构无氢键程度可提高13％。而过滤水中无氢键程度为21.80％，与去离子水比较起来差不多。超小分子团水中无氢键程度为30.31％，超小分子团水与去离子水比较，水中结构无氢键程度可提高42％。制备小分子团水时不照光(遮光)，所得的无氢键程度为21.50％，与去离子水比较差不多，显见照光为制造小分子团水的必要条件，制备小分子团水时利用纳米银、纳米白金、纳米金/纳米二氧化钛复合物与纳米金/纳米银复合物，所得的无氢键程度分别为24.36、23.76、24.17与24.94％，显见其他纳米贵金属与其他相关复合物组合，均可有效制造小分子团水。
Figure RE-GDA0002775248540000101
a:制备小分子团水时不照光(遮光)
b:制备小分子团水时利用纳米银粒子
c:制备小分子团水时利用纳米白金粒子
d:制备小分子团水时利用纳米金/纳米二氧化钛复合物
e:制备小分子团水时利用纳米金/纳米银复合物
实例3本发明小分子团水的氢键降低程度
以去离子水(0％小分子团水)当作对照组(无氢键程度为21.29％)，实例1的小分子团水中无氢键程度为24.11％，小分子团水与去离子水比较，水中结构无氢键程度可提高13％。当小分子团水的比例为25％(无氢键程度为21.84％)、50％(无氢键程度为22.89％)与75％(无氢键程度为23.33％)时，其水中结构无氢键程度可分别提高2.6、7.5与9.6％，显示良好的物理混合线性关系(请参图5)，以及小分子团水可有效将水中强氢键结构破坏形成弱氢键与无氢键结构，形成小分子团水的结构，因此具有特殊的性质与功能。
实例4本发明小分子团水在不同光源在不同曝光时间下制造的影响
将去离子水20毫升装于50毫升玻璃样品瓶中(盖子锁紧，容器内放置20毫升纳米金陶瓷粒，以制造小分子团水)，将玻璃样品瓶置于规律晃动的平台上，分别照射不同的光源，在不同的时间下抽取水样品，以拉曼光谱仪测量，得到OH伸缩振动讯号并进行数据分峰分析，以决定水中无氢键程度。在曝光时间240分钟时，在室内日光灯照射下与用LED绿光(波长530nm)照射下，小分子团水中无氢键程度，均可达到饱和值约24.4％。但用LED绿光照射，其能量集中在波长530nm附近，靠近陶瓷粒表面纳米金的SPR吸收带(最大吸收带在538nm)，因此可产生较强的表面电浆共振效应，故在照射10分钟时，即可达到饱和值。而用日光灯照射，约在120分钟后，才可达到饱和值(请参图6)。
实例5本发明小分子团水的红外线吸收光谱
去离子水(对照组)或实例1的小分子团水的傅立叶变换红外线光谱是由布鲁克(Bruker)型号Bruker-Tensor 27的仪器量测，光谱解析为8cm-1，重复扫描累积32次，样品注入International Crystal Laboratories的Precision Demountable Cell，使用的铁氟龙隔离膜厚度为0.015mm。在3090～3640cm-1范围内为水的OH伸缩振动，可分为两部分，波长3090～3310cm-1的特征峰为三重氢键(高密度氢键)所贡献，波长3310～3640cm-1的特征峰代表无氢键、单一氢键与双氢键水分子(J.Phys.Chem.B,2012,116,10609)。当去离子水经纳米金陶瓷粒处理后，其特征峰均产生蓝移的现象(3170到3183cm-1与3449到3461 cm-1)(请参图7)，显示水分子间的作用力减弱(Phys.Chem.Chem.Phys.,1999,1,4619)，意即纳米金陶瓷粒能破坏水分子间的氢键，形成小分子团水。
实例6本发明小分子团水的蒸发速率
实例1的小分子团水与去离子水(对照组)比较，水中结构无氢键程度可提高13％，因此在常温常压下，小分子团水比去离子水较容易蒸发，但一段时间后，当小分子团水与去离子水中弱氢键与无氢键程度一样时，二者水量的蒸发速率即为一样，因此实验中在制造小分子团水时，为将去离子水装于有放置20毫升纳米金陶瓷粒的烧杯容器中，并将其置于规律晃动的平台上，以便在纳米金陶瓷粒表面上产生的小分子团水，实时脱离陶瓷粒表面而由液面蒸发，因此在纳米金陶瓷粒表面上可持续产生小分子团水。
将去离子水80毫升装于250毫升烧杯容器中，另将80毫升去离子水装于250毫升烧杯容器中(容器内放置20毫升纳米金陶瓷粒，以制造小分子团水)，将两烧杯置于规律晃动的平台上，每一小时测量烧杯容器中减少的水量，以此决定蒸发水量。持续进行7小时实验，随着环境的改变，每1小时期间，去离子水或小分子团水的蒸发量或有不同，但小分子的蒸发量均高于去离子水3％以上，平均值为高7.2％(请参图8)。
实例7本发明小分子团水的溶解度
将实例1的小分子团水或去离子水各取20毫升加入样品瓶中，称取过量的氯化钠加入溶剂中，持续搅拌30min，再静置30min，此时样品瓶底部有未溶解的溶质。取澄清的饱和溶液1毫升称重，利用水与氯化钠的密度分别为1与2.165g/cm3，可求出每100毫升 (1dL)水中氯化钠的溶解度。另进行达比霉素溶解度实验。称取达比霉素1.2克加入样品瓶中，逐步加入适量的本发明的小分子团水或去离子水作为溶剂，在持续搅拌的情况下，直到溶液中不再出现未溶解的球状粉体，此时溶质全部溶解成透明胶状溶液，由溶解溶质1.2克所需水的毫升数，可求出每100毫升(1dL)水中达比霉素的溶解度。
进一步测定小分子团水的最大溶氧量。将本发明的小分子团水与去离子水各取40cc 加入50cc样品瓶中，将纯氧气以气泡形式曝于水中30分钟后，将样品瓶瓶盖锁紧，静置 5min后以携带式溶氧测定仪(Lutron Electronic Enterprise Co.,LTD,Taiwan,ChinaModel:DO-5510)，测定水中的最大溶氧量。
下表为本发明的小分子团水与去离子水对不同溶质的溶解度结果。
表：小分子团水与去离子水对不同物质的溶解度(1atm、22.8℃)
Figure RE-GDA0002775248540000131
由上表可知，小分子团水与去离子水比较，对氯化钠、达比霉素与氧气的溶解度，可分别提高14、35与17％，显示小分子团水有别于一般去离子水的特殊结构，可有效提高固体与气体于水中的溶解度。
实例8本发明小分子团水溶于PEG400的量测
将去离子水与实例1的小分子团水分别加于PEG400溶液中，以配制含水量为10wt％的溶液，以水份计量测去离子水与小分子团水于PEG400溶液中的含水量分别为10.97与 10.44wt％，由于小分子团水中较多可利用的自由的OH伸缩振动，可与PEG400形成氢键键结，此部分的含水量无法与费煦(Karl Fischer)试剂作用，因此量测值会小于实际配制值约4.8％(与去离子水实验比较)。
实例9本发明的小分子团水的饱和蒸汽压
实验前先将系统抽真空(去除其他气体)，再将适量的水加载系统开始实验，量测不同时间时系统的蒸汽压，直到蒸汽压值维持恒定，即为此温度下水的饱和蒸汽压，6h 后去离子水与实例1的小分子团水的饱和蒸汽压分别为0.0316与0.0344bar，故在25℃时，小分子团水比去离子水的饱和蒸汽压高约8.9％。
表：25℃时小分子团水与去离子水的饱和蒸汽压
Figure RE-GDA0002775248540000132
实例10本发明的小分子团水的去除DPPH自由基的分析
DPPH.(2,2-diphenyl-1-pricrylhydrazyl)是一种很稳定的自由基，常用于电子顺磁共振光谱(Electron paramagnetic resonance，EPR)的测定(Journal of Food andNutrition Research,Vol.45,2006,No.1,pp.1-11)。DPPH.配置于甲醇或乙醇溶液中，可产生很稳定的自由基，可于EPR实验中被侦测到，但是被抗氧化剂(AH)或自由基(R.)还原时，其DPPH.自由基会消失或降低，故藉由EPR实验结果来判定样本是否具有清除自由基的能力。
先将DPPH加于甲醇中，配成4mM DPPH的甲醇溶液，再将不同比例的实例1的小分子团水与去离子水样品，与此4mM DPPH的甲醇溶液，以1：1的体积比混合(DPPH的最终浓度为2mM)，避光静置2h后进行ESR实验(Bruker EMX ESR spectrometer)，测量自由基强度。去离子水(0％小分子团水)当作对照组，其EPR强度为4033；而小分子团水去除 DPPH自由基的能力可提高24％。当小分子团水的比例为25％时，EPR强度为3783、50％时强度为3675，75％时EPR强度为3416(请参见图9)；其去除DPPH自由基的能力可分别提高6.2％、8.9％与15％，显示良好的物理混合线性关系，以及小分子团水可有效去除 DPPH自由基。
实例11本发明的小分子团水的去除氢氧自由基的分析
Fenton’s Reagent利用过氧化氢与亚铁离子反应产生具强氧化性且非选择性的氢氧自由基(·OH)，可氧化废水中难分解的有机物。然而，氢氧自由基具有强烈的氧化作用，易破坏细胞膜、血管壁、蛋白质和基因，会使人体产生老化和疾病问题，危害人类的健康。由于Fenton’s Reagent中产生的氢氧自由基衰退很快，必须添加DMPO(5, 5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide)实时捕捉，产生稳定的DMPO-OH自由基，以便于接续的 ESR实验中测定其自由基强度。
以Fenton反应产生氢氧基自由基，再个别加入140微升的去离子水(对照组)、小分子团水及过滤水(正对照组)；其中过滤水与小分子团水的制造如实例2及实例1所述。接着依序加入20微升磷酸缓冲液、20微升500μM的EDTA螯合剂(Fe2+/Ethylenediaminetetraacetic acid)、10微升200μM的H2O2及10微升2M的DMPO，反应后以EPR侦测DMPO-OH讯号。
以去离子水配制的Fenton试剂当作对照组，以实例1的小分子团水配制的Fenton试剂当作实验组，可发现小分子团水可有效去除氢氧自由基63％，而另外过滤水实验中，并未发现过滤水可去除氢氧自由基，显示此效应确实是经由陶瓷粒表面的纳米金照光后产生的表面电浆共振效应产生(请参图10)。
实例12本发明的小分子团水降低一氧化氮释放能力的分析
当体内免疫系统受到微生物本身或其分泌物质(例如：脂多醣体(lipopolysaccharide； LPS)或lipoteichoic acid等)的刺激时，会产生“反应性氧族”(ROS；reactive oxygen species)，并诱发一氧化氮(NO)的产生，进而促进各种发炎反应。
一氧化氮含量测定实验由美国标准菌库(American Type Culture Collection,ATCC)购买的RAW 264.7细胞为老鼠巨噬细胞株，培养液成分为牛胎儿血清(10％)、盘尼西林(100 单位/毫升)与链霉素(100μg mL-1)，并于5％二氧化碳与37℃下培养。培养后分装于96孔盘中(2×105细胞数/孔)，加入E.coli lipopolysaccharide(LPS；0-100ng mL-1)并培养24小时，以持续活化的LPS为阳性控制组，取培养液100μL与100μL格里斯试剂(Griessreagent)于室温下反应10分钟，并于亮度计下读取波长570nm的值(Labsystems,Helsinki,Finland)(Lin HC,Tsi SH,Chen CS,chang YC,Lee CM,Lai ZY,Lin CM.Structure-activity relationship of coumarin derivatives on xanthine oxidase-inhibitingand free radical-scavenging activities.Biochemical Pharmacology.2008,75:1416-1425.)。
随着LPS(诱发细胞发炎试剂)剂量的增加，由10ng mL-1增加至25ng mL-1、50ng mL-1、75ng mL-1与100ng mL-1，用实例1的小分子团水当作细胞培养液，与用去离子水当作细胞培养液比较，一氧化氮释放的量，可分别有效下降1.0％、11.5％、14.1％、13.7％与16.2％，显示小分子团水可有效降低LPS诱发细胞发炎的程度(请参图11)。
实例13本发明的小分子团水的稳定性分析
实例1的本发明小分子团水制备后第0、1、2、3与5天，无氢键程度分别为24.11、23.52、 23.11、22.11与21.39％，与去离子水的无氢键程度(21.29％)，小分子团水可稳定存在3天以上。
实例14本发明的小分子团水的扩散性质分析
经纳米金以及照光处理的水具弱氢键使其具有新颖的扩散性质。图12显示对K3Fe(CN)6(图12(a))及对苯二酚(hydroquinone)(图12(b))在不同生理食盐水溶液(去离子水配制的食盐水(DI食盐水)、经纳米金及日光灯照射处理的水配制的生理食盐水(AuNT食盐水)及经纳米金及绿色LED光照射处理的水配制的生理食盐水(sAuNT食盐水))的循环伏安图(cyclic voltammogram)，可得到K3Fe(CN)6及对苯二酚在食盐水溶液中的扩散系数。K3Fe(CN)6于水中的扩散系数从DI水的2.76×10-6cm s-1(对苯二酚为1.78×10-6cm s-1)增加至AuNT水的3.59×10-6cm s-1(对苯二酚为2.0×10-6cm s-1)，扩散系数增加了 30％(对苯二酚增加12％)。使用sAuNT水的K3Fe(CN)6扩散系数增加了67％(对苯二酚增加24％)(K3Fe(CN)6及对苯二酚溶液的扩散速率分别为4.62×10-6cm s-1及2.20×10-6cm s-1)。由上述结果可知，未经处理的DI食盐水的扩散效果最差，而经绿光LED照射的纳米金较经日光灯照射的纳米金的扩散效果为佳。
实例15本发明的小分子团水用于血液透析的分析
如实例1所示，将水利用纳米金表面电浆共振处理后制成本发明的小分子团水，再使用该小分子团水配制成透析液。使用如实例12的一氧化氮释放分析评估小分子团水的抗发炎效果。图13显示以LPS-诱导的NO释出减少评估含AuNT水及sAuNT水的血液透析液，相较于DI水血液透析液的发炎预防效果。接着，以DI食盐水及sAuNT食盐水及血液进行体外模拟血液透析实验。图14(a)及(b)分别显示以移除浓度70％的血液尿素氮 (BUN)(100mg dL-1)所需时间为基准，使用DI食盐水及sAuNT食盐水所需的处理时间分别为约30分钟及16分钟(a)；以移除浓度70％的血液肌酸酐(Crea)(20mg dL-1)所需时间为基准，使用DI食盐水及sAuNT食盐水所需的处理时间分别为约29分钟及约12分钟(b)。上述结果指出以移除浓度70％的血液尿素氮与肌酸酐所需时间为基准，sAuNT食盐水所需时间分别减少了47％和59％。由上述结果可知，未经处理的DI食盐水的透析效果最差，而经绿光LED照射的纳米金较经日光灯照射的纳米金的透析效果为佳。
或者，将血液透析中人工肾脏(AK管)镀上纳米金，在血液透析中照光，可同步实时产生小分子团水，并进行体外模拟血液透析实验。将待透析样品(含有尿素氮(BUN)、肌酸酐(CREA)及血液代谢物中的其他中型分子(B12))以不同速率通过洗肾管(型号： B3-1.0A)，其中未处理表示洗肾管未涂覆纳米金且未经照光处理，而经绿光LED处理的 AuNP表示洗肾管涂覆纳米金并经LED照光处理，透析液则使用DI水配制。结果如图 15(a)、(b)及(c)所示；图15(a)为移除血液尿素氮(BUN)的效率，图15(b)为移除肌酸酐 (CREA)的效率及图15(c)为移除血液代谢物中的其他中型分子(B12)的效率。如图15所示，经纳米金涂覆的洗肾管照光处理的血液透析的对BUN、CREA及B12的移除率皆较未经纳米金处理的样品为佳。
实例16本发明的小分子团水用于PCR反应
本研究使用实例1制备的小分子水进行PCR反应，使用1mg DNA模板、0.5mM引子、0.2mM dNTP及0.5u/ml Taq聚合酶，接着以0.5X TAE琼脂凝胶进行电泳。在小分子团水中针对qnrB细菌基因片段进行PCR反应，产物A(qnrB细菌基因片段)的PCR反应效率增加约20倍(与去离子水dd H2O中反应比较)，显示小分子团水可有效增进PCR反应(请参图 16)。

Claims (5)

1.一种小分子团水，其具有下列一或多个特征：
(a)拉曼分峰光谱的中心点位置分别为约3018、约3223、约3393、约3506及约3624cm-1的峰值中，约3506及约3624cm-1的积分面积除以所有3018、约3223、约3393、约3506及约3624cm-1五个峰的积分面积总和的值所得的无氢键程度为大于约22％。
(b)红外线光谱的三重氢键的波长约3090～约3310cm-1的特征峰及无氢键、单一氢键与双氢键水分子的波长约3310～约3640cm-1的特征峰分别由约3170cm-1蓝移至约3175cm-1以上及由约3449cm-1蓝移至约3454cm-1以上；
(c)相较于去离子水，具有高于去离子水约3％/1小时以上的蒸发率；
(d)在约1大气压、约22.8℃下对氯化钠具有大于37g dL-1的溶解度；
(e)在约1大气压、约22.8℃下具大于21mg L-1的最大溶氧量；
(f)以水份计量测小分子团水溶于PEG400的量测值会小于实际配制值的2％以上；
(g)约25℃时，小分子团水的饱和蒸汽压比去离子水的饱和蒸汽压高约3.0％以上；及
(h)其以感应耦合电浆质谱分析仪(inductively coupled plasma-massspectrometer；ICP-MS)测定，含有产生表面电浆共振金属浓度为约0.05ppb以上。
2.根据权利要求1的小分子团水，其中(a)拉曼分峰另包含在拉曼分峰中心点位置在约3506cm-1及约3624cm-1的拉曼位移分别为大于15.0％及6％，其中该百分比的计算为在约3506cm-1的带的积分面积除以在约3018cm-1、约3223cm-1、约3393cm-1、约3506cm-1及约3624cm-1等五个带的积分面积总和；(b)三重氢键的波长约3090～约3310cm-1的特征峰及无氢键、单一氢键与双氢键水分子的波长约3310～约3640cm-1的特征峰分别由约3170cm-1蓝移至约3183cm-1以上及由约3449cm-1蓝移至约3461cm-1；(c)相较于去离子水，具有高于去离子水高于约7.2％/1小时以上的蒸发率；(d)在约1大气压、约22.8℃下对氯化钠具有约41.3g dL-1的溶解度；或(e)在约1大气压、约22.8℃下具有约23.8mg L-1的最大溶氧量。
3.根据权利要求1的小分子团水，其可在常温常压下稳定至少3天。
4.根据权利要求1的小分子团水，可用于化妆品、医药、医美(aesthetic medical)、生物制药、能源、物理及化学产品。
5.根据权利要求1的小分子团水，其可用于血液透析或聚合酶链锁反应(PCR)反应。
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