納米金的綠色合成與CTAB對金納米聚集體的解聚集作用

戴兢陶 朱 靖 楊錦明 沈 明＊,1,

(1江蘇省灘涂生物資源與環境保護重點建設實驗室，鹽城 224002)(2揚州大學化學化工學院，揚州 225002)(

3鹽城師范學院化學化工學院，鹽城 224002)

納米金的綠色合成與CTAB對金納米聚集體的解聚集作用

戴兢陶1,3朱 靖2楊錦明1,3沈 明＊,1,2

(1江蘇省灘涂生物資源與環境保護重點建設實驗室，鹽城 224002)(2揚州大學化學化工學院，揚州 225002)(

3鹽城師范學院化學化工學院，鹽城 224002)

室溫下利用鞣酸(TA)既作還原劑又作保護劑，通過綠色還原方法制備了鞣酸包裹的金納米粒子，并通過紫外可見光譜(UV-Vis)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、紅外光譜(FTIR)等分別進行了表征和分析。結果表明，隨著nTA/nHAuCl4比率的增加，紫外可見光譜顯示鞣酸穩定的金溶膠最大吸收波長明顯增大且吸收帶變寬，而最大吸光率逐漸減小。TEM觀察證實增加鞣酸用量會導致溶膠體系中花狀金納米聚集體的形成。實驗發現，陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對鞣酸保護的金納米聚集體具有強烈的解聚集作用，在劇烈攪拌的條件下CTAB能使金納米聚集體成功解聚為單分散狀態的金納米粒子，提高體系溫度可明顯促進CTAB對金納米聚集體的解聚集作用。

鞣酸；金納米粒子；綠色合成；十六烷基三甲基溴化銨；解聚集作用

0 引 言

金屬納米粒子由于受到表面效應[1]和宏觀量子隧道效應[2]等因素的影響，在電子學[3]、磁學[4]、光學[5]、熱學[6]和力學[7]等性質上明顯不同于宏觀金屬塊體。對于貴金屬而言，其獨特的物理、化學性質與納米結構的特殊性能的有機結合，使其具有了異乎尋常的表面化學性質，從而在催化、能源、微電子和生物等領域有著廣闊的應用前景，受到人們越來越廣泛的重視[8-9]。

近年來，綠色合成貴金屬納米材料已成為納米科技領域關注的熱點。Sastry研究小組[10]用檸檬草提取液與三價金離子反應制備了三角狀金納米粒子，通過簡單地改變反應介質中檸檬草提取液的濃度調控三角狀金納米粒子的尺寸，后續又研究了反應溫度、鹵素離子的加入等對綠色制備金納米粒子形貌與尺寸的影響[11]。Kasthuria等[12]利用芹菜苷既作還原劑又作保護劑，采用綠色合成的方法制備出了各向異性的金納米結構和準球形的銀納米粒子。尹晉津等[13]通過比較檸檬酸鈉、檸檬酸鈉-鞣酸、抗壞血酸和硼氫化鈉等還原方法制備金溶膠，發現檸檬酸鈉-鞣酸還原法制備金納米粒子的過程較為簡單，制得的金粒子可應用于檢測生物物質的信號標記。Tian等[14]在水體系中采用種子生長法實現了鞣酸對硝酸銀的還原，制備出尺寸較大的銀納米盤。郭慧爾等[15]用氨水調節溶液的pH值得到了鞣酸還原并保護的銀納米結構，若預先加入水溶性高聚物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，產物中則會有銀納米線產生。本工作用鞣酸既作還原劑又作保護劑，通過綠色合成的方法制備了鞣酸穩定的金溶膠，并考察了鞣酸用量、反應溫度和添加劑等對金納米粒子尺寸及形貌的影響。實驗發現，隨著還原劑鞣酸用量的增加，所得金溶膠的紫外可見吸收出現明顯紅移，透射電鏡觀察證實此現象為金納米粒子間產生聚集所致。通過添加適量陽離子型表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，可成功實現對鞣酸保護的金納米聚集體的解聚作用，并試圖對解聚集機理進行合理的推測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

鞣酸(C76H52O46，TA)，HAuCl4·4H2O，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，聚乙烯吡咯烷酮K-30(PVP)，十二烷基硫酸鈉(SDS)等均為分析純試劑，購自國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水為二次蒸餾水。

UV-2501 PC紫外可見光譜儀(日本，島津公司)；TECNAI-12透射電鏡(TEM，荷蘭，菲利浦公司)；740型紅外光譜儀(美國，尼高力公司)；電泳實驗采用U型電泳管和LW30J3型直流穩壓穩流電源(上海力友電氣有限公司)；用D8 Advance Superspeed X射線衍射儀(德國，布魯克公司)進行材料結構的表征，測試中采用了 Cu 陽極靶(λ=0.15406 nm)、石墨單色器，工作電壓為40 kV，工作電流為200 mA，掃描范圍(2θ)為 20°～90°，掃描間隔為 2θ=0.04°。

1.2 鞣酸穩定的金溶膠制備

金納米顆粒在常溫下通過鞣酸還原氯金酸制得。 典型的實驗如下，取 3.0 mL 1.62 mmol·L-1的鞣酸水溶液[nTA/nHAuCl4=1∶1(R)]置于 50 mL 燒杯中，再加入16.5 mL蒸餾水，在劇烈的磁力攪拌條件下加入 0.50 mL 9.71 mmol·L-1的氯金酸水溶液， 約經數秒鐘溶液出現淡紅色，隨著反應進行體系顏色加深，數分鐘后溶膠顏色基本穩定，繼續攪拌約 0.5 h，由鞣酸還原并穩定的酒紅色金溶膠 (標為溶膠A)即被制得并留待進一步處理和表征。固定HAuCl4含量和體系總體積，增加鞣酸用量分別至R為7∶3、10∶3和5∶1)，重復上述實驗，可分別制得紫紅色(標為溶膠B)、藍紫色(標為溶膠C)和藍色金溶膠(標為溶膠D)。

1.3 CTAB對鞣酸保護的金納米聚集體的解聚集作用

向上述制備的鞣酸還原并穩定的新鮮藍色金溶膠D中添加陽離子型表面活性劑CTAB[0.177 0 g，nTA/nHAuCl4=200∶1(R1)]，并在25℃條件下持續攪拌12 h，溶膠D的顏色逐漸由藍色變為紅色，提高體系溫度則能明顯加快金溶膠的變色過程。實驗表明，CTAB對鞣酸保護的金納米聚集體具有強烈的解聚集作用。若以陰離子型表面活性劑SDS(0.2801 g)代替CTAB進行實驗，則會加劇粒子的進一步聚集，溶膠穩定性顯著下降，而加入PVP(0.524 0 g)到溶膠D，體系仍保持藍色，但穩定性大為提高。

2 結果與討論

2.1 不同鞣酸用量對金溶膠紫外可見光譜及粒子形貌的影響

圖1給出了不同R條件下經常溫攪拌制備的4種金溶膠的紫外可見光譜和數碼照片。由圖1a可見，鞣酸保護的金納米粒子展示了典型金溶膠所特有的光學特征，即最大吸收波長(λmax)在500～550 nm可見光區產生表面等離子共振吸收[16-17]，如溶膠A的λmax≈533 nm[圖1a中的曲線A]。粒子的尺寸效應通?？蓮慕饘偃苣z的吸收光譜反映出來，即隨著粒徑的變小，粒子的表面等離子共振吸收將向高能量方向移動，而納米粒子的尺寸增大、“絮凝作用”(聚集或凝聚)的產生或高軸徑比(非球狀)粒子的生成均會導致溶膠吸收光譜的紅移[18-20]。增大鞣酸用量所得金溶膠 B、C和 D的 λmax分別為 550、561和584 nm(對應于圖1a中的曲線B、C和D)，顯示金溶膠的最大吸收波長隨鞣酸用量增加而明顯增大且吸收帶變寬，其最大吸光率則隨鞣酸用量的增加而逐漸減小。圖1b所示溶膠的數碼照片也清楚地顯示，隨著鞣酸用量的增加，所制備的4種金溶膠的顏色從酒紅色、紫紅色到藍紫色再到藍色，這與溶膠的紫外可見光譜相一致。該現象與用微波輻射輔助的乙二醇還原法制備金納米粒子的情形相象[21]，即呈現出貌似“反?！钡念伾f變現象，因為在一般情況下，體系中還原劑用量增加，反應速率會加快，導致金粒子的成核速率加快，理應得到更小尺寸的金納米顆粒。實驗過程也的確顯示鞣酸用量的增加會加快反應的速率，反映在金溶膠體系的變色時間逐漸縮短。上述結果暗示，新鮮制備的4種金溶膠中，溶膠A的粒子尺寸較小，且單分散性較好，但溶膠B、C和D中的金納米粒子尺寸可能較大或由于產生金粒子間的聚集現象而生成了較大尺寸的納米聚集體。這一推論得到了TEM觀察的進一步證實。

圖1 不同nTA/nHAuCl4(R)時金膠體的紫外可見吸收光譜(a)和數碼照片(b)Fig.1 UV-Vis absorption spectra(a)and digital photos(b)of gold colloids at different nTA/nHAuCl4ratios

圖2 不同nTA/nHAuCl4(R)時金納米粒子的TEM照片和粒徑分布直方圖Fig.2 TEM micrographs and histograms of gold nanoparticles at different nTA/nHAuCl4(R)ratios

不同R條件下所得金納米結構的TEM照片和粒徑分布直方圖如圖2所示。當R=1∶1時，所得金納米粒子大多為球形(約占94.2%)，亦有極少量三角形貌的粒子存在，粒徑分布直方圖顯示粒子的平均粒徑和標準偏差為(34.6±9.1)nm(見圖 2a)，說明在此條件下所獲得的金納米粒子具有較好的單分散性；當R=7:3時，所制備的金納米粒子呈不規則的似球形，因少數粒子的邊緣聚集了小尺寸金粒子，導致粒子整體形貌不規則，其平均粒徑和標準偏差為35.1±9.9 nm；當 R=10∶3 時，部分金粒子邊緣因存在較多的小粒子而呈現似花狀，這可能是金粒子間發生聚集所致(見圖 2c)，其平均粒徑為 36.4 nm；當 R=5∶1時，鞣酸保護的金粒子總體呈現出不規則的花狀形貌，其平均粒徑為42 nm。結合溶膠D的紫外可見光譜(圖1a中的曲線D)判斷照片上的顆?？赡苁墙鸺{米粒子的聚集體。說明隨著鞣酸用量增加，金納米粒子總體尺寸并未顯著增加，只是金粒子間發生了明顯聚集。鞣酸是一種樹枝狀的大分子化合物，碳鏈較長，吸附于金粒子表面的鞣酸分子在一定程度上提高了金溶膠的穩定性，但其親水支鏈上所帶的羥基和羧基亦可能在金粒子碰撞過程中通過分子間的氫鍵或范德華力作用，拉近納米金顆粒之間的距離，產生晶核碰撞融合，形成較大尺寸的顆粒來降低表面能或顆粒間彼此吸引形成局部團聚，造成顆粒的均勻性和分散性變差。當體系中鞣酸濃度增加時，這種通過鞣酸分子的“搭橋作用”所形成的金粒子聚集現象將更為顯著。

2.2 反應溫度對金溶膠紫外可見光譜及粒子形貌的影響

反應體系中溫度變化往往對粒子的生成速率和形貌具有較大影響[22]。我們嘗試了固定nTA/nHAuCl4(R=5∶1)和反應時間(30 min)，在不同溫度條件下(25、50、75和100℃)進行反應，所得金溶膠的紫外可見光譜見圖3。由圖可見，當反應溫度為25℃時，其紫外可見光譜呈一平臺狀的寬帶吸收，λmax為584 nm；當溫度升高至50℃時，紫外可見光譜的λmax藍移至571 nm，吸收譜帶變窄，最大吸光率增加；隨后反應溫度分別升高為75和100℃，對應金溶膠的紫外可見光譜的λmax進一步藍移至551和543 nm，同時對應吸收曲線的最大吸光率隨溫度升高而增加，吸收譜帶逐漸窄化。這一結果暗示，在25～100℃范圍內，隨反應溫度的提高，所得金納米粒子尺寸有可能減小或粒子的聚集狀態發生了改變。

圖3 不同溫度下鞣酸穩定的金溶膠的紫外可見光譜Fig.3 UV-Vis absorption spectra of tannic acid-stabilized gold colloids at different temperatures

圖4給出了不同溫度時所得鞣酸包裹的金納米結構的TEM照片。圖4a顯示出25℃時反應得到的金納米聚集體呈現出不規則的花狀形貌，其平均粒徑為42 nm。從TEM照片上可清楚地看到較小尺寸的金納米粒子附著在花狀粒子的邊緣，結合紫外可見光譜(圖4a)判斷照片上的花狀粒子是由較小尺寸的金納米粒子聚集而成；當溫度升高到50℃時(圖4b)，似球形金納米粒子和花狀粒子共存，其平均粒徑為27 nm；當溫度繼續升高到75℃時(圖4c)，似球形金納米粒子數目增多，而似花狀形貌的粒子數明顯減少，粒子的平均粒徑為21.1 nm；在沸騰狀態下由鞣酸綠色合成的金納米粒子則幾乎全為似球形(圖4d)，粒子的平均粒徑為 18.3 nm，且處于良好的單分散狀態。從上述實驗結果可以得出如下結論：一方面，溫度升高，分子的熱運動加劇，反應物分子的碰撞加劇，導致粒子的成核速率加快，生成的金納米粒子尺寸減??；另一方面，溫度升高，鞣酸分子對金納米粒子的保護作用增強，使得金粒子間聚集程度明顯降低，從而在一定程度上提高了金納米粒子的單分散性。

圖4 不同溫度下鞣酸保護的金納米粒子的TEM照片Fig.4 TEM micrographs of tannic acid-protected gold nanoparticless at different temperatures

2.3 外加保護劑對綠色合成金納米粒子形貌及穩定性的影響

圖5給出了25℃時向溶膠D中分別添加適量CTAB、SDS 和 PVP[nCTABorSDSorPVP/nHAuCl4=200∶1(R1)]，劇烈攪拌12 h后所得到的3種溶膠的紫外可見光譜。在25℃條件下，向溶膠D中加入CTAB之后，溶膠會從藍色逐漸變為紅色，新溶膠的紫外可見光譜(圖5a)顯示其λmax為538 nm。CTAB加入到溶膠D中所導致的變色效應表明，原藍色溶膠D中的金納米聚集體已被CTAB成功解聚，而原溶膠D所呈現的藍色應是溶液中金納米粒子形成花狀聚集結構的反映。TEM觀察結果進一步證實了這一推論。

圖5 溶膠D中外加保護劑后所得金溶膠的紫外可見光譜Fig.5 UV-Vis absorption spectra of gold colloids after adding some protecting reagents into colloid D

圖6a的TEM照片中的金粒子呈現單個分散的似球狀，其平均粒徑和標準偏差為(30.4±6.4)nm，而較大尺寸的花狀聚集體已不復存在，說明陽離子型表面活性劑CTAB的加入，對鞣酸包裹的花狀金納米聚集結構具有強烈的解聚集作用。實驗還顯示，倘若在加入CTAB后，劇烈攪拌的同時輔以常規加熱或微波加熱，均可大大縮短溶膠D的變色時間，亦即通過攪拌和加熱均可促進CTAB對鞣酸保護的金納米聚集體的解聚集作用。而加入水溶性高分子保護劑PVP后對溶膠D的紫外可見光譜的影響較小[見圖5(b)]，結合圖2a中的曲線D可見，兩條吸收曲線形狀非常相似，在大于500 nm范圍均出現一寬的吸收帶，說明PVP不像CTAB分子那樣對金納米聚集體有解聚作用，但能顯著提高溶膠D的穩定性，新溶膠經數周放置后不會發生任何沉淀。相反，當加入等物質的量SDS后則會使溶膠D的穩定性明顯下降，其相應溶膠的紫外可見光譜見圖5c，對應吸光率也有所降低，說明溶膠D中的粒子聚集程度進一步加劇，若將SDS處理過的新溶膠靜置，則會很快失去穩定性，兩天后金粒子就會全部沉淀下來。圖6(b)、(c)分別顯示了PVP和SDS加入溶膠D，經劇烈攪拌12 h后所得金納米粒子的TEM照片，圖中的金納米結構與圖2(d)所示的結果相似，即仍呈現聚集狀態，說明花狀粒子的形貌與未加PVP、SDS時相似，平均粒徑分別為43[圖6(b)]和64 nm[圖6(c)]，加入SDS后所致的粒子尺寸顯著增加表明金粒子間的聚集程度加大。

圖6 25℃下溶膠D中外加保護劑所得金納米粒子的TEM照片和粒徑分布直方圖Fig.6 TEM micrographs and histogram of gold nanoparticles after adding some protecting reagents into colloid D at 25℃

如前所述，隨著nTA/nHAuCl4增加，所得金溶膠的紫外可見吸收呈現明顯的紅移現象，TEM觀察顯示，這一現象的發生是由于鞣酸用量增加所引起的，其鞣酸分子的“搭橋作用”導致了金納米粒子聚集體的形成。當向產生明顯聚集的藍色金溶膠(如溶膠D)中添加陽離子型表面活性劑CTAB，經12 h攪拌后即能成功將藍色溶膠轉變成酒紅色溶膠，進一步的實驗表明，這一變色過程是由CTAB對金納米粒子聚集體的成功解聚實現的。分析上述實驗結果，我們擬用如圖7的示意圖表示CTAB對鞣酸保護的金納米聚集體的解聚集作用，并試圖做出如下解釋：首先，根據鞣酸穩定的金溶膠的電泳實驗發現金納米粒子及其聚集體在電場作用下朝正極移動，表明鞣酸保護的金納米粒子帶負電，而在水溶液中CTAB可形成帶正電的膠束，這樣正、負粒子間的靜電吸引作用有利于CTAB分子插入到金納米聚集體的粒子之間；其次，CTAB分子與鞣酸分子在金納米粒子表面會產生競爭性吸附作用，由于鞣酸分子的酚羥基對金納米粒子的物理吸附作用較弱，因而帶正電的表面活性劑CTAB分子在競爭吸附中占據優勢；最后，溶液中足量的CTAB分子存在，可于金粒子表面形成親水基朝向水介質而憎水鏈朝向憎水層的雙層保護結構，從而使解聚后的金納米粒子能穩定存在于水介質中。結合前面的實驗結果，當加入陰離子型表面活性劑SDS時，則可能由于帶負電的膠束對帶同電性的金納米聚集體的靜電排斥作用，使得聚集作用加強，導致金溶膠更快失去穩定性；而親水性高分子保護劑PVP的加入，不能對金納米聚集體起到解聚集作用，但吸附于金納米聚集體表面的PVP分子卻顯著提高了金溶膠的穩定性。

圖7 鞣酸保護的金納米聚集體形成和CTAB誘導的解聚集作用示意圖Fig.7 Schematic diagram for the formation and deaggregation of tannic acid-protected gold nanoaggregates induced by CTAB

2.4 鞣酸保護的金納米粒子的結構表征

圖8是鞣酸(TA)和鞣酸穩定的金納米粒子在500～4000 cm-1范圍內的FTIR圖譜。與鞣酸相比，-OH的伸縮振動在3379 cm-1附近顯示出寬而強的吸收帶，而鞣酸還原的金納米粒子其對應-OH的伸縮振動吸收帶移至3 402 cm-1附近，且吸收帶變窄強度減弱，這說明金納米粒子是通過酚羥基與Au3+反應而導致酚羥基數目減少。另外，1 614、1 535和1 449 cm-1為苯環的伸縮振動[見圖8(a)]，而圖8(b)所示金納米粒子中僅出現位于1 645和1 452 cm-1兩個吸收峰，這是由于發生氧化還原反應后酚羥基氧對苯環供電子能力增加，使苯環碳架的吸收峰位置和個數發生了變化所致。

圖8 鞣酸粉末與鞣酸保護的金納米粒子的紅外譜圖Fig.8 FTIR spectra of pure tannic acid powder(a)and tannic acid-stabilized gold nanoparticles(b)

前述溶膠A和溶膠D兩體系經處理后所對應樣品的XRD圖如圖9所示。由圖可見，由鞣酸包裹的兩個粉末樣品(樣品A和D)均呈現出對應于大塊面心立方(fcc)金晶體晶格參數的衍射峰(分別對應于圖9a和b)，只是由于粒子的尺寸效應使衍射峰明顯變寬。

圖9 鞣酸包裹的金納米粒子的XRD圖Fig.9 XRD patterns of tannic acid-capped gold nanoparticles

3 結 論

利用鞣酸作為還原劑通過綠色合成法制備了鞣酸保護的金納米粒子。結果表明，在無其他保護劑的前提下，單獨增加鞣酸用量，會導致金納米粒子聚集形成花狀納米聚集體。電泳實驗表明鞣酸保護的金納米聚集體帶負電，當向溶膠體系中加入陽離子型表面活性劑CTAB時，發現其對金納米聚集體具有強烈的解聚集作用，而加入陰離子型表面活性劑SDS和水溶性高分子PVP均不具有解聚集作用，但PVP的加入可明顯提高金溶膠的穩定性，相反SDS的加入則使金溶膠的穩定性顯著下降。

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Green Synthesis of Gold Nanoparticles and Deaggregating Effect of CTAB on Gold Nanoaggregates

DAI Jing-Tao1,3ZHU Jing2YANG Jin-Ming1,3SHEN Ming＊,1,2
(1Key Construction Laboratory of Shoal Bioresource and Environment Protection of Jiangsu Province,Yancheng,Jiangsu 224002,China)(2College of Chemistry and Chemical Engineering,Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225002,China)(3School of Chemistry and Chemical Engineering,Yancheng Teachers University,Yancheng,Jiangsu 224002,China)

Gold nanoparticles were fabricated by a green method using tannic acid as a reducing and protecting agent at room temperature.The tannic acid-capped gold nanoparticles were characterized by UV-Vis,TEM,XRD,FTIR,respectively.The results show that the maximum absorption wavelength increases and the absorption band broadens,while the maximum absorbance decreases with the increase of the molar ratio of tannic acid to HAuCl4(nTA/nHAuCl4).TEM observation indicates that the increase in tannic acid amount could lead to the formation of flower-like gold nanoaggregates in the colloid systems.The experiments reveal that cetyltrimethylammonium bromide (CTAB)has a strong deaggregating effect on tannic acid-capped gold nanoaggregates.And CTAB can successfully deaggregate the gold nanoaggregates into monodispersed gold nanoparticles under vigorous stirring.In addition,the increase in the system temperature can obviously promote the deaggregating effect of CTAB on gold nanoaggregates.

tannic acid;gold nanoparticle;green synthesis;cetyltrimethylammonium bromide;deaggregating effect

O614.123；O648.16

：A

：1001-4861(2011)02-0308-07

2010-09-06。收修改稿日期：2010-10-27。

江蘇省灘涂生物資源與環境保護重點建設實驗室開放基金(No.JLCBE09003)；國家自然科學基金(No.20773105)資助項目。

＊通訊聯系人。 E-mail：shenming@yzu.edu.cn，Tel：0514-87975590-9405；會員登記號：S06N7798M1006。