TWM479309U - 製備小分子團水之設備 - Google Patents

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TWM479309U
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Yu-Chuan Liu
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Univ Taipei Medical
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製備小分子團水之設備
本創作係關於處理水之設備和方法，以及經該設備或方法處理而得之水。特定言之，本創作係提供製備小分子團水之設備和方法，以及經該設備或方法處理而得之小分子團水。
水(化學式：H2 O)是由氫、氧兩種元素組成的無機物，在常溫常壓下為無色無味的透明液體。水是所有生命生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分。水的構成元素及分子結構使得其具有許多獨特的性質，特別是氫鍵的形成。水的分子結構為人所熟知，然而，其結構中分別有兩個可產生氫鍵的受體與產生氫鍵的予體，水分子間透過氫鍵的形成而產生不同的水結構，如類似於冰的四面體、二聚體及多聚體。因此，一般將微觀的水分子稱為水分子團(water cluster)；水分子團是一種不連續的氫鍵結構形成的水分子簇合物。小的水分子團較易打開氫鍵並分開成單一的水分子，而具有較強的滲透力及吸收速度，因此可迅速通過細胞膜的水通道並具有較快的吸收速度，比大分子團的水更能幫助物質進入細胞並促進新陳代謝。
將水煮沸或氣化的水蒸氣為小分子水，但冷卻至室溫後及形 成團聚的大分子團。一般團聚的水加入氫氣可具有抗氧化功效，但氫氣的溶解度不高，很短的時間內氫氣即會逸散到大氣之中。經升溫及高壓的方式可分別提高水中固體與氣體的溶解度，但須額外的設備與製程使能達到此效果；再者，當回復到常溫及常壓下，溶解度即恢復為一般狀態，失去增加溶解的功能。
中華民國新型專利第M382845號揭示一種複合型過濾元件及具有該過濾元件的過濾裝置，其複合材層由多數個含有奈米貴金屬與甲殼素的複合物所形成，該等複合物各包括一甲殼素基材，及多數個分別吸附在該甲殼素基材表面的貴金屬奈米粒子。藉由該第一複合材層的貴金屬奈米粒子與通過的流體作用可達到去除流體中有害物質及抗菌、除臭的效果，再配合甲殼素吸附雜質的特性，使具有較佳的過濾與吸附效能。但經該過濾設備的水在無照光下無法達到令人滿意的小分子團。
美國專利第5,800,576號關於一種水分子團組合物，其特徵在於伸出、去局部化的pπ軌域而具高氧反應性。該專利設計超音波噴頭，與先前揭露的裝置差別在於噴頭組成中含有鎳或鎳合金，在噴出同時能破壞水分子間的作用力，得到水欉，水欉內含水分子數在5~300個之間，此水分子欉具有高氧反應特性，然而此特性只限於瞬間噴霧形態之微小水粒子。
美國專利公開第20110218251A號揭露一種具固態安定水分子團的產物，包括藉經內部電場的電偶極交互作用而彼此連接的複數個水分子且具有圍繞該固態安定水分子團的電場的永久電偶極距。此專利揭露一種具固態安定水分子團的產物，藉由水欉周圍電偶極作用力，形成具安定性之奈米至微米尺寸水欉粒子。將超純水在腔室下經氬氣填充並避免與二氧化碳接觸，經加入添加物(氯化鈉、維他命、氨基酸、激素、蛋白質、酶、多肽、多醣、 DNA或RNA等有機或無機物)與水產生偶極作用力，形成安定之水欉。但此發明中需藉由添加物達到功效，並非為純淨的水溶液。
美國專利公開第20110089049A號提供一種處理水以增加溶氧的電解方法；該方法進一步經由水分子團而增加基團的分佈與暴露。該專利揭露一種得到單一水欉之方法，主要將水分子限制在奈米環境之材料下，材料包含奈米碳管、石墨烯奈米層、奈米環境中摻雜元素、氮、合金、鈀、鈀-金、鈀-銀，水欉大小為0.5~100奈米，但無法連續製造。
美國專利公開第20110039951A號揭露一種方法，包括提供一奈米環境及限制重或輕水於該奈米環境使的至少一水分子團形成。然而，上述方法或系統處理的水均無法達到令人滿意的小分子團。
美國專利公開第20130056355A號提供一種電磁場水處理系統，此專利揭露一種以電場-磁場之水處理裝置，當水通過含有稀土元素鑭、釔、鈰、鐠、釹、釤、鈦與鋅成分之鐵管後，將水的電子激發形成電場，再流通具永久磁鐵裝置之管子，經由電場與磁場處理，將部分水分子間氫鍵打斷。此專利主要揭露水處理裝置，但在處理後，並無法達到令人滿意的小分子團，此外，稀土元素種類過於繁多且複雜。
因此，本技藝中仍有製備更小分子團水之需要，以得到較具滲透力及較佳吸收速度，更有益健康的小分子團水。
本創作係提供一種小水分子團的水處理設備，該設備包括一或多個照光裝置及一或多個承載體承載可產生表面電漿共振的金屬顆粒。較佳地，該承載體為具一或多個入口端及一或多個出口 端之中空透光管柱，該透光管柱充填產生表面電漿共振的金屬顆粒。藉由使用本創作之設備，本創作提供一種製備小分子團水之方法。
本創作提供一種根據本創作設備或方法製得之小分子團水。在一具體實施例，該小分子團水具有特定的拉曼光譜(raman spectrum)、紅外線吸收光譜、蒸發速率、溶解度、最大溶氧量及蒸氣壓等特性。
1‧‧‧照光裝置
2‧‧‧透光管柱
3‧‧‧奈米金陶瓷顆粒
4‧‧‧開關控制閥
5‧‧‧入口端
6‧‧‧出口端
7‧‧‧能量
8‧‧‧中空容器
9‧‧‧入口端
10‧‧‧出口端
圖1為本創作設備之一具體實施例之示意圖。
圖2為本創作設備之另一具體實施例之示意圖。
圖3為紫外光-可見光吸收光譜圖；實線(-)表示製備之奈米金水溶液(solid line)；點虛線(---)表示有奈米金沉積之陶瓷粒(dot-dashed line)。
圖4為不同水樣品的拉曼光譜分峰圖。
圖5為不同比例小分子團水與去離子水降低水結構中氫鍵的能力表現。
圖6為不同光源在不同曝光時間下對小分子團水製造的影響。
圖7為小分子團水與去離子水之紅外線吸收光譜圖。虛線(---)表示去離子水(dashed line)；實線(-)表示小分子團水(solid line)。
圖8為去離子水與小分子團水單位時間(每小時)的蒸發量。
圖9為不同比例小分子團水與去離子水去除DPPH自由基的能力表現。
圖10為小分子團水於Fenton試劑中去除氫氧自由基的能力表現。
圖11為不同LPS(誘發細胞發炎試劑)劑量下小分子團水降低一氧化氮釋放的能力(以去離子水當作對照組實驗)。
由於水中氫鍵的存在，一般水是以四面體水分子團(tetrahedrally hydrogen-bonded water molecules；water cluster)的形式存在，當水分子受到能量、高壓或有電解質存在時，氫鍵會變得較弱，使得四面體結構遭受破壞，進而形成小分子團水(small water clusters)。本創作結合奈米金屬顆粒的電漿效應與照光提供能量增強電漿效應將水分子團中的氫鍵打斷，形成分子團較小的小分子團水。
在一方面，本創作係提供一種小水分子團的水處理設備，該設備包括一或多個照光裝置及一或多個承載體承載可產生表面電漿共振的金屬顆粒，其限制條件為該承載體可容許光照射至金屬顆粒。
根據本創作，任何適合承載本創作所述之金屬顆粒之承載體均可用於本創作設備。較佳地，本創作承載體為一容器、透光管柱或固體撐體。根據本創作之一具體實施例，該設備之透光管柱具有具一或多個入口端及一或多個出口端；較佳為管柱出口端較入口端窄且另具一開關控制閥。根據本創作之另一具體實施例，該固體撐體為聚合物撐體。根據本創作之另一具體實施例，該容器為開放式中空容器或具一或多個入口端及一或多個出口端的中空容器。較佳地，該中空容器為中空淺盤型，較佳地，該中空容器璧具透光性。根據本創作之一具體實施例，該照光裝置為提供波長為100 nm至3,000 nm的光源；較佳為提供波長為380 nm至780 nm的光源；更佳為提供波長為500 nm至600 nm的光源(對奈米銀波長為380 nm至480 nm的光源更佳)。根據本明之一具體實施例，該照光設備為日光燈、LED燈、燈泡、水銀燈泡、複金屬燈、鈉光燈或鹵素燈；較佳為LED綠光燈。
根據本創作，任何可透光材質均可用於本創作之透光管柱。根據本創作之一具體實施例，該透光管柱為玻璃管柱或塑膠管柱。
根據本創作，該承載體承載或充填有產生表面電漿共振的金屬顆粒。電漿(Plasma)是一種存在於金屬與介電質表面的物理現象，可藉由外加電子或光子來激發薄金屬層和含有待測物介電層介面間之表面電漿波(Suraface plasmon wave SPW)，乃是TM-wave入射光藉由耦合器的耦合來激發存在於金屬與介質界面之間的自由電子(或載子)，形成一集體的縱向共振效應(collective longitudinal resonance)。根據本創作之一具體實施例，該金屬顆粒為奈米金屬顆粒；較佳為奈米金顆粒、奈米銀顆粒、奈米鉑金顆粒、奈米銠顆粒、奈米銅顆粒、奈米鎳顆粒、奈米鋯顆粒、奈米鈦顆粒或奈米合金顆粒(如鋯鎳銅合金)、奈米二氧化鈦顆粒或其組合；更佳為奈米金顆粒、奈米銀顆粒、奈米金/銀組合顆粒或奈米金/二氧化鈦組合顆粒。根據本創作之另一具體實施例，該奈米金屬顆粒可與其他材料複合；較佳金屬為金、銀、鉑金、銠、銅、鎳、鋯、鈦或合金，較佳複合材料為甲殼素或陶瓷；更佳為奈米金陶瓷顆粒或奈米金甲殼素顆粒；最佳為奈米金陶瓷顆粒。根據另一具體實施例，該奈米金屬顆粒之粒徑為0.1至1000奈米；較佳為1至100奈米。在另一具體實施例，本創作金屬顆粒為球狀、圓柱狀、橢圓球狀、長方體狀或正方體狀。
任何已知的方法均可用於本創作奈米顆粒之製備；例如，雷射消熔法(laser ablation method)、金屬氣相合成法(metal vapor synthesis method)、化學還原法(例如電化學還原法及聲波電化學法)。
在另一方面，本創作提供一種製備小分子團水之方法，其包 括提供複數個產生表面電漿共振的奈米金屬顆粒的承載體，將水與該等奈米金屬顆粒接觸並照光後得到該小分子團水。較佳地，本創作方法其係使用本創作之設備；特別是，使用本文中所述任一具體實施例的本創作設備。本創作設備之使用方法係將水導入本創作設備之承載體並以照光裝置照光；該水通過管柱中的金屬顆粒後，由於金屬顆粒具有特殊的表面電漿共振(Surface plasmon resonance；SPR)效應，在照光的情況下，吸收特定波長的能量(本創作約為538 nm)，可產生SPR效應，進而將水分子團中的部份氫鍵打斷光與電漿的作用，使得該水的氫鍵變弱形成小分子團水。此小分子團水可長期穩定存在(至少3天以上)，具有特殊之性質與功能。
圖1為本創作設備之一具體實施例之示意圖。參照到圖1，本創作設備具有照光裝置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較入口端窄，而靠近出口端6處具有一開關控制閥4。透光管柱2中充填有奈米金陶瓷顆粒3。
處理的水由透光管柱2的入口端5進入管柱2，照光裝置1照光提供能量7(例如以日光燈或LED綠光照射提供能量)，使奈米金陶瓷顆粒3吸收特定波長的能量(例如約538 nm)後，產生特殊的表面電漿共振(Surface plasmon resonance；SPR)效應，進而將水分子團中的部份氫鍵打斷，形成小分子團水。打開透光管柱2的開關控制閥4，而自出口端6收集經處理的小分子團水。
圖2為本創作設備之另一具體實施例之示意圖。參照到圖2，本創作設備具有照光裝置1及開放式中空容器8。中空容器8具有一入口端9及一出口端10。透光管柱2中充填有奈米金陶瓷顆粒3。處理的水由中空容器8的入口端9進入承載體8，照光裝置1照光提供能量7(例如以日光燈或LED綠光照射提供能量)，使奈米金 陶瓷顆粒3吸收特定波長的能量(例如約538 nm)後，產生特殊的表面電漿共振(Surface plasmon resonance；SPR)效應，進而將水分子團中的部份氫鍵打斷，形成小分子團水，接著自出口端10收集經處理的小分子團水。在本創作之另一具體實施例，本創作提供一種設備，其裝置及連結關係類似圖2，差別僅在於該中空容器為不具入出口端之中空容器。
在一具體實施例，本創作照光時間為5分鐘至480分鐘；較佳為5分鐘至240分鐘或10分鐘至240分鐘。
在另一方面，本創作提供一種根據本創作設備或方法製得之小分子團水。在一具體實施例，該小分子團水具有特定的拉曼光譜(Raman spectrum)、紅外線吸收光譜、蒸發速率及溶解度等特性。
拉曼光譜常用於研究水分子作用力表現，拉曼位移約2600~4000 cm-1 所代表的為水分子的OH伸縮振動，由高斯函數分峰(deconvolution)可將此範圍之訊號分出五個峰，不同的水樣品分峰時的原則為，五個峰的位置均固定，使用各成份峰的半寬高值(full width at half maximum；FWHM)皆一樣，其中心點位置分別為約3018、約3223、約3393、約3506及約3624 cm-1 ，前三個位置為水分子間之強氫鍵所貢獻，後兩者主要分別為弱氫鍵及無氫鍵之組成(J.Raman Spectrosc.2009,40,1200；Vib.Spectrosc.2012,62,pp.110-114；J.Chem.Phys.1998,Vol.108,No.7,pp.2669-2675)，後兩者峰的積分面積除以五個峰面積總和之值，定義為所量測的水分子中所代表的無氫鍵程度(無氫鍵作用力強度)之含量百分比。一般而言，去離子水之無氫鍵程度為21.29%。當氫鍵被破壞時，在拉曼光譜中顯示，強氫鍵的峰強度(面積)減小，取而代之的為弱氫鍵與無氫鍵之峰強度上升(J. Chem.Phys.1981,75,4264)。因此，拉曼光譜可用於代表本創作之小分子團水的特性，其中本創作小分子團水的水中無氫鍵程度為大於約22%；較佳為大於約23.0%、約23.5%、約24%、約24.11%、大於約25%、大於約26%、大於約27%、大於約28%、大於約29%、大於約30%、大於約30.31%、大於約31%、大於約32%、大於約33%、大於約34%或大於約35%。較佳地，本創作小分子團水的水中無氫鍵程度為約24%至約50%、約24%至約45%、約24%至約40%或約24%至約32%。
紅外線光譜在約3090~約3640 cm-1 範圍內為水的OH伸縮振動，可分為兩部分，波長約3090~約3310 cm-1 之特徵峰為三重氫鍵(高密度氫鍵)所貢獻，波長約3310~約3640 cm-1 之特徵峰代表無氫鍵、單一氫鍵與雙氫鍵水分子(J.Phys.Chem.B,2012,116,10609)。根據另一具體實施例，本創作小分子團水亦具特定的紅外線吸收光譜，其中屬於水分子三重氫鍵的特徵峰波長(範圍：約3090~約3310 cm-1 )，以及屬於水分子無氫鍵、單一氫鍵與雙氫鍵的特徵峰波長(範圍：約3310~約3640 cm-1 )，分別由約3170(去離子水的特徵峰位置)藍移至約3183 cm-1 ，及由約3449(去離子水的特徵峰位置)藍移至約3461 cm-1 ；較佳為由約3170藍移至約3175 cm-1 以上，由約3449藍移至約3454 cm-1 以上。
根據另一具體實施例，本創作小分子團水相較於去離子水，具有較高的蒸發率，其中小分子團水的蒸發量均高於去離子水約3%/1小時以上；較佳為高於約7.2%/1小時以上；較佳範圍為高於約7~12%/1小時。去離子水的電阻為18.2 MΩ cm，由MilliQ system提供。
根據另一具體實施例，本創作小分子團水在約1大氣壓、約22.8℃下對氯化鈉具有大於約37 g dL-1 的溶解度；較佳為約41.3 g dL-1 的溶解度；較佳範圍為約38.5~約40.5 g dL-1 的溶解度。根據另一具體實施例，本創作小分子團水在約1大氣壓、約22.8℃下具大於約21 mg L-1 的最大溶氧量；較佳為約23.8 mg L-1 的最大溶氧量；較佳範圍為約21.5~約23.0 mg L-1 的最大溶氧量。
本創作設備及方法可有效將水中強氫鍵結構破壞形成弱氫鍵與無氫鍵結構，形成小分子團水的結構，因此具有特殊之性質與功能。在一具體實施例，以去離子水當作對照組(無氫鍵程度為約21.29%)，小分子團水中無氫鍵程度為約24.11%，小分子團水與去離子水比較，水中結構無氫鍵程度可提高約13%，其計算為：(24.11%-21.29%)/(21.29%)×100%。
根據另一具體實施例，本創作小分子團水中自由之OH伸縮振動(無氫鍵鍵結)，可與聚乙二醇400(polyethylene glycol 400；PEG400；分子量為400)，形成氫鍵鍵結，因此以水份計(例如Metrohm 870 KF Titrino plus)量測小分子團水溶於PEG400的量測值會小於實際配製值的約2%以上；較佳為約3%以上、約4%以上、約5%以上、約6%以上、約7%以上、約8%以上、約9%以上或約10%以上。
根據另一具體實施例，本創作小分子團水在約25℃時，小分子團水的飽和蒸汽壓比去離子水的飽和蒸汽壓高約3.0%以上；較佳約4.0%以上、約5.0%以上、約6.0%以上、約7.0%以上、約8.0%以上、約8.9%以上、約9.0%以上或約10.0%以上。
由於本創作之小分子團水係經由含前述金屬顆粒處理而製造的水；根據另一具體實施例，基於感應耦合電漿質譜分析儀(inductively coupled plasma-mass spectrometer；ICP-MS)，本創作之小分子團水中會殘留貴金屬；較佳的殘留濃度為約0.05 ppb以上；更佳為約0.1 ppb以上、約0.2 ppb以上、約0.3 ppb以上、約 0.4ppb以上、約0.5ppb以上、約0.6ppb以上、約0.7ppb以上、約0.8ppb以上、約0.9ppb以上、或約1.0ppb以上。而去離子水中的金屬濃度為約0.03ppb。
本創作之小分子團水具有異於一般水的特殊性質；如常溫與常壓下可增高水中固體與氣體的溶解度及水分子間的氫鍵較弱等等，且此小分子團水在常溫常壓下可長期穩定存在。例如，可穩定存在至少2天；較佳為至少3天。當本創作小分子團水與其他成分混合後，由於其他成份會與無氫鍵或弱氫鍵的小分子團水結合，使得小分子水團維持其小分子團，不會再度聚集成為大分子團水而失去小分子團水的特性及優點；因此本創作小分子團水在產業應用後仍能維持其小分子團的特性及優點，具實用價值。本創作之小分子團水具特殊性質，因此可有效去除自由基、抑制細胞發炎時一氧化氮的釋放，達到抗氧化與抗發炎的效果。此外，本創作小分子團水亦可用於血液透析時，提高水對血液中廢物的移除速率，可作為血液透析液用水等等。
由於水本身即具有非常廣泛的應用，因此本創作之小分子團水可應用於化妝品、醫藥、醫美、生物製藥、能源及各種物理、化學產品等等，深具產業應用效果。
實例1 本創作小分子團水之製備
先將奈米金先燒結沉積於陶瓷粒(92%SiO2，40 mesh)的表面製成奈米金陶瓷顆粒，再將100毫升的奈米金陶瓷顆粒置於透明玻璃管內，在照光的情況下，將去離子水以1cc/min的流量下流經玻璃管，即可製造小分子團水。
實例2 本創作小分子團水之拉曼光譜
將奈米金表面電漿共振光譜以珀金埃爾默(PerkinElmer)型號Lambda 800/900之儀器量測，將樣品置於3mL之石英槽，以水為 背景值，掃描速率為750nm/min，奈米金粒子溶液最大吸收帶位於519nm(如圖3中之實線(-)所示)。奈米金陶瓷粒表面電漿共振光譜以珀金埃爾默(PerkinElmer)型號Lambda 800/900之儀器量測，掃描速率為750nm/min，由積分球測其反射訊號，以濕潤態之陶瓷粒為背景值，得到奈米金於陶瓷粒上之表面電漿共振光譜於538nm。由紫外光-可見光吸收光譜圖中可發現，製備之紅色奈米金水溶液其最大吸收帶位於519nm，而將奈米金沉積於陶瓷粒後會有稍微聚集現象，其最大吸收帶會紅位移至538nm。由圖3中之點虛線(---)可知，在整個可見光區的能量均能讓奈米金吸收，以產生SPR效應，但若光源波長集中在538nm附近，將可產生更強的SPR效應。
將去離子水(對照組)、或小分子團水或過濾水(正對照組)進行拉曼光譜分析，其中過濾水的製造與小分子團水類似，差別在過濾水為去離子水流過無奈米金沉積之陶瓷粒。其中超小分子團水的製造為將微量的去離子水靜置在奈米金沉積之陶瓷粒表面，直接進行拉曼光譜量測。各0.5毫升的去離子水、或小分子團水或過濾水佈滿圓底容器中，其中底部置入直徑為0.7公分的圓形銀片，以顯微拉曼光譜儀(Micro Raman spectrometer，型號UniRAM-Raman，購自佐信科技)進行鑑定，經顯微鏡對焦於銀片表面後，以波長532奈米之雷射在量測範圍2600~4000cm-1 中，每次曝光時間為1秒，經重複掃描累積30次後，得到OH伸縮振動訊號並進行數據分峰分析。超小分子團水進行拉曼光譜量測時，將以去離子水潤濕的奈米金陶瓷粉佈於銀片表面，經顯微鏡對焦於奈米金陶瓷粉表面後，以與上述去離子水相同之方式量測，拉曼光譜量測結果，請見圖4。
數據分峰分析係將OH伸縮振動訊號分峰位置設定於3018cm-1 、3223cm-1 、3393cm-1 、3506cm-1 及3624cm-1 ，且每個樣品分 峰時，使用各成份峰的半寬高值皆一樣。其中位於3506 cm-1 及3624 cm-1 ，分別屬於弱氫鍵及無氫鍵之組成峰的面積，與整體OH伸縮振動峰的面積比值，定義為無氫鍵程度(包括弱氫鍵與無氫鍵程度)。
以去離子水當作對照組(無氫鍵程度為21.29%)，小分子團水中無氫鍵程度為24.11%，小分子團水與去離子水比較，水中結構無氫鍵程度可提高13%。而過濾水中無氫鍵程度為21.80%，與去離子水比較起來差不多。超小分子團水中無氫鍵程度為30.31%，超小分子團水與去離子水比較，水中結構無氫鍵程度可提高42%。製備小分子團水時不照光(遮光)，所得的無氫鍵程度為21.50%，與去離子水比較差不多，顯見照光為製造小分子團水的必要條件，製備小分子團水時利用奈米銀、奈米白金、奈米金/奈米二氧化鈦複合物與奈米金/奈米銀複合物，所得的無氫鍵程度分別為24.36、23.76、24.17與24.94%，顯見其他奈米貴金屬與其他相關複合物組合，均可有效製造小分子團水。
實例3 本創作小分子團水之氫鍵降低程度
以去離子水(0%小分子團水)當作對照組(無氫鍵程度為 21.29%)，小分子團水中無氫鍵程度為24.11%，小分子團水與去離子水比較，水中結構無氫鍵程度可提高13%。當小分子團水的比例為25%(無氫鍵程度為21.84%)、50%(無氫鍵程度為22.89%)與75%(無氫鍵程度為23.33%)時，其水中結構無氫鍵程度可分別提高2.6、7.5與9.6%，顯示良好的物理混合線性關係(請參圖5)，以及小分子團水可有效將水中強氫鍵結構破壞形成弱氫鍵與無氫鍵結構，形成小分子團水的結構，因此具有特殊之性質與功能。
實例4 本創作小分子團水在不同光源在不同曝光時間下製造的影響
將去離子水20毫升裝於50毫升玻璃樣品瓶中(蓋子鎖緊，容器內放置20毫升奈米金陶瓷粒，以製造小分子團水)，將玻璃樣品瓶置於規律晃動的平台上，分別照射不同的光源，在不同的時間下抽取水樣品，以拉曼光譜儀測量，得到OH伸縮振動訊號並進行數據分峰分析，以決定水中無氫鍵程度。在曝光時間240分鐘時，在室內日光燈照射下與用LED綠光(波長530 nm)照射下，小分子團水中無氫鍵程度，均可達到飽和值約24.4%。但用LED綠光照射，其能量集中在波長530 nm附近，靠近陶瓷粒表面奈米金的SPR吸收帶(最大吸收帶在538 nm)，因此可產生較強的表面電漿共振效應，故在照射10分鐘時，即可達到飽和值。而用日光燈照射，約在120分鐘後，才可達到飽和值(請參圖6)。
實例5 本創作小分子團水之紅外線吸收光譜
去離子水(對照組)或小分子團水之傅立葉轉換紅外線光譜是由布魯克(Bruker)型號Bruker-Tensor 27之儀器量測，光譜解析為8 cm-1，重複掃描累積32次，樣品注入International Crystal Laboratories的Precision Demountable Cell，使用的鐵氟龍隔離膜厚度為0.015 mm。在3090~3640 cm-1 範圍內為水的OH伸縮振動，可分為兩部分，波長3090~3310 cm-1 之特徵峰為三重氫鍵(高密度 氫鍵)所貢獻，波長3310~3640cm-1 之特徵峰代表無氫鍵、單一氫鍵與雙氫鍵水分子(J.Phys.Chem.B, 2012,116 ,10609)。當去離子水經奈米金陶瓷粒處理後，其特徵峰均產生藍移的現象(3170到3183cm-1 與3449到3461cm-1 )(請參圖7，虛線為去離子水；實線為小分子團水)，顯示水分子間的作用力減弱(Phys.Chem.Chem.Phys. ,1999,1 ,4619)，意即奈米金陶瓷粒能破壞水分子間的氫鍵，形成小分子團水。
實例6 本創作小分子團水之蒸發速率
小分子團水與去離子水(對照組)比較，水中結構無氫鍵程度可提高13%，因此在常溫常壓下，小分子團水比去離子水較容易蒸發，但一段時間後，當小分子團水與去離子水中弱氫鍵與無氫鍵程度一樣時，二者水量的蒸發速率即為一樣，因此實驗中在製造小分子團水時，為將去離子水裝於有放置20毫升奈米金陶瓷粒之燒杯容器中，並將其置於規律晃動的平台上，以便在奈米金陶瓷粒表面上產生的小分子團水，即時脫離陶瓷粒表面而由液面蒸發，因此在奈米金陶瓷粒表面上可持續產生小分子團水。
將去離子水80毫升裝於250毫升燒杯容器中，另將80毫升去離子水裝於250毫升燒杯容器中(容器內放置20毫升奈米金陶瓷粒，以製造小分子團水)，將兩燒杯置於規律晃動的平台上，每一小時測量燒杯容器中減少的水量，以此決定蒸發水量。持續進行7小時實驗，隨著環境的改變，每1小時期間，去離子水或小分子團水的蒸發量或有不同，但小分子的蒸發量均高於去離子水3%以上，平均值為高7.2%(請參圖8)。
實例7 本創作小分子團水之溶解度
將本創作之小分子團水或去離子水各取20毫升加入樣品瓶中，稱取過量的氯化鈉加入溶劑中，持續攪拌30min，再靜置30min，此時樣品瓶底部有未溶解的溶質。取澄清的飽和溶液1毫升 稱重，利用水與氯化鈉的密度分別為1與2.165g/cm3 ，可求出每100毫升(1dL)水中氯化鈉的溶解度。另進行達比黴素溶解度實驗。稱取達比黴素1.2克加入樣品瓶中，逐步加入適量之本創作之小分子團水或去離子水作為溶劑，在持續攪拌的情況下，直到溶液中不再出現未溶解之球狀粉體，此時溶質全部溶解成透明膠狀溶液，由溶解溶質1.2克所需水的毫升數，可求出每100毫升(1dL)水中達比黴素的溶解度。
進一步測定小分子團水的最大溶氧量。將本創作之小分子團水與去離子水各取40cc加入50cc樣品瓶中，將純氧氣以氣泡形式曝於水中30分鐘後，將樣品瓶瓶蓋鎖緊，靜置5min後以攜帶式溶氧測定儀(Lutron Electronic Enterprise Co.,LTD,Taiwan,Model：DO-5510)，測定水中的最大溶氧量。
下表為本創作之小分子團水與去離子水對不同溶質之溶解度結果。
由上表可知，小分子團水與去離子水比較，對氯化鈉、達比黴素與氧氣的溶解度，可分別提高14、35與17%，顯示小分子團水有別於一般去離子水的特殊結構，可有效提高固體與氣體於水中的溶解度。
實例8 本創作小分子團水溶於PEG400之量測
將去離子水與小分子團水分別加於PEG400溶液中，以配製 含水量為10 wt%之溶液，以水份計量測去離子水與小分子團水於PEG400溶液中之含水量分別為10.97與10.44 wt%，由於小分子團水中較多可利用的自由之OH伸縮振動，可與PEG400形成氫鍵鍵結，此部分的含水量無法與費煦(Karl Fischer)試劑作用，因此量測值會小於實際配製值約4.8%(與去離子水實驗比較)。
實例9 本創作之小分子團水之飽和蒸汽壓
實驗前先將系統抽真空(去除其他氣體)，再將適量的水載入系統開始實驗，量測不同時間時系統的蒸汽壓，直到蒸汽壓值維持恆定，即為此溫度下水的飽和蒸汽壓，6 h後去離子水與小分子團水的飽和蒸汽壓分別為0.0316與0,0344 bar，故在25℃時，小分子團水比去離子水的飽和蒸汽壓高約8.9%。
實例10 本創作之小分子團水之去除DPPH自由基之分析
DPPH．(2,2-diphenyl-1-pricrylhydrazyl)是一種很穩定的自由基，常用於電子順磁共振光譜(Electron paramagnetic resonance，EPR)的測定(Journal of Food and Nutrition Research,Vol.45,2006,No.1,pp.1-11)。DPPH．配置於甲醇或乙醇溶液中，可產生很穩定的自由基，可於EPR實驗中被偵測到，但是被抗氧化劑(AH)或自由基(R．)還原時，其DPPH．自由基會消失或降低，故藉由EPR實驗結果來判定樣本是否具有清除自由基的能力。
先將DPPH加於甲醇中，配成4 mM DPPH的甲醇溶液，再將 不同比例之小分子團水與去離子水樣品，與此4 mM DPPH的甲醇溶液，以1：1的體積比混合(DPPH的最終濃度為2 mM)，避光靜置2h後進行ESR實驗(Bruker EMX ESR spectrometer)，測量自由基強度。去離子水(0%小分子團水)當作對照組，其EPR強度為4033；而小分子團水去除DPPH自由基的能力可提高24%。當小分子團水的比例為25%時，EPR強度為3783、50%時強度為3675，75%時EPR強度為3416(請參見圖9)；其去除DPPH自由基的能力可分別提高6.2%、8.9%與15%，顯示良好的物理混合線性關係，以及小分子團水可有效去除DPPH自由基。
實例11 本創作之小分子團水之去除氫氧自由基之分析
Fenton’s Reagent利用過氧化氫與亞鐵離子反應產生具強氧化性且非選擇性的氫氧自由基(．OH)，可氧化廢水中難分解的有機物。然而，氫氧自由基具有強烈的氧化作用，易破壞細胞膜、血管壁、蛋白質和基因，會使人體產生老化和疾病問題，危害人類的健康。由於Fenton’s Reagent中產生的氫氧自由基衰退很快，必須添加DMPO(5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide)即時捕捉，產生穩定的DMPO-OH自由基，以便於接續之ESR實驗中測定其自由基強度。
以Fenton反應產生氫氧基自由基，再個別加入140微升的去離子水(對照組)、小分子團水及過濾水(正對照組)；其中過濾水的製造與小分子團水類似，差別在過濾水為去離子水流過無奈米金沉積之陶瓷粒。接著依序加入20微升磷酸緩衝液、20微升500 μM的EDTA螯合劑(Fe2+ /Ethylenediaminetetraacetic acid)、10微升200 μM的H2 O2 及10微升2M的DMPO，反應後以EPR偵測DMPO-OH訊號。
以去離子水配製的Fenton試劑當作對照組，以小分子團水配 製的Fenton試劑當作實驗組，可發現小分子團水可有效去除氫氧自由基63%，而另外過濾水實驗中，並未發現過濾水可去除氫氧自由基，顯示此效應確實是經由陶瓷粒表面的奈米金照光後產生的表面電漿共振效應產生(請參圖10)。
實例12 本創作之小分子團水降低一氧化氮釋放能力之分析
當體內免疫系統受到微生物本身或其分泌物質(例如：脂多醣體(lipopolysaccharide；LPS)或lipoteichoic acid等)的刺激時，會產生『反應性氧族』(ROS；reactive oxygen species)，並誘發一氧化氮(NO)的產生，進而促進各種發炎反應。
一氧化氮含量測定實驗由美國標準菌庫(American Type Culture Collection,ATCC)購買之RAW 264.7細胞為老鼠巨噬細胞株，培養液成分為牛胎兒血清(10%)、盤尼西林(100單位/毫升)與鏈黴素(100 μg mL-1 )，並於5%二氧化碳與37℃下培養。在面積75平方公分培養皿培養後，分裝於96孔盤中(2×105細胞數/孔)，在有無重組晶體(10 μM)環境下分別加入E.coli lipopolysaccharide(LPS；0-100 ng mL-1 )並培養24小時，以持續活化的LPS為陽性控制組，取培養液100 μL與100 μL格里斯試劑(Griess reagent)於室溫下反應10分鐘，並於光度計下讀取波長570 nm之值(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-inhibiting and free radical-scavenging activities.Biochemical Pharmacology.2008,75：1416-1425.)。
隨著LPS(誘發細胞發炎試劑)劑量的增加，由10 ng mL-1 增加至25 ng mL-1 、50 ng mL-1 、75 ng mL-1 與100 ng mL-1 ，用小分子團水當作細胞培養液，與用去離子水當作細胞培養液比較，一氧 化氮釋放的量，可分別有效下降1.0%、11.5%、14.1%、13.7%與16.2%，顯示小分子團水可有效降低LPS誘發細胞發炎的程度(請參圖11)。
實例13 本創作之小分子團水之穩定性分析
本創作小分子團水製備後第0、1、2、3與5天，無氫鍵程度分別為24.11、23.52、23.11、22.11與21.39%，與去離子水的無氫鍵程度(21.29%)，小分子團水可穩定存在3天以上。
1‧‧‧照光裝置
2‧‧‧透光管柱
3‧‧‧奈米金陶瓷顆粒
4‧‧‧開關控制閥
5‧‧‧入口端
6‧‧‧出口端
7‧‧‧能量

Claims (12)

  1. 一種小水分子團的水處理設備，該設備包括一或多個照光裝置及一或多個承載體承載可產生表面電漿共振的金屬顆粒。
  2. 如請求項1之設備，其中該承載體為具一或多個入口端及一或多個出口端之中空透光管柱或中空容器，該中空容器或透光管柱充填產生表面電漿共振的金屬顆粒。
  3. 如請求項2之設備，其中該透光管柱之出出口端較入口端窄。
  4. 如請求項2之設備，其中該透光管柱之出口端另具一開關控制閥。
  5. 如請求項1之設備，其中該照光裝置為提供波長為100 nm至3,000 nm的光源。
  6. 如請求項1之設備，其中該照光裝置為日光燈、LED燈、燈泡、水銀燈泡、複金屬燈、鈉光燈或鹵素燈。
  7. 如請求項2之設備，其中該透光管柱為玻璃管柱或塑膠管柱。
  8. 如請求項1之設備，其中該金屬顆粒為奈米金顆粒、奈米銀顆粒、奈米鉑金顆粒、奈米銠顆粒、奈米銅顆粒、奈米鎳顆粒、奈米鋯顆粒、奈米鈦顆粒、奈米合金顆粒或奈米二氧化鈦顆粒或其組合。
  9. 如請求項1之設備，其中該金屬顆粒為為奈米金顆粒、奈米銀顆粒、奈米金/銀組合顆粒或奈米金/二氧化鈦組合顆粒。
  10. 如請求項1之設備，其中該金屬顆粒為奈米金陶瓷顆粒或奈米金甲殼素顆粒。
  11. 如請求項1之設備，其中該金屬顆粒之粒徑為1至100奈米。
  12. 如請求項1之設備，其中該金屬顆粒為球狀、圓柱狀、橢圓球狀、長方體狀或正方體狀。
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