納米金自催化生長及其應用研究

楊西萍，展宗瑞

（蘭州石化職業技術學院應用化學工程系，甘肅蘭州 730060）

納米金自催化生長及其應用研究

楊西萍，展宗瑞

（蘭州石化職業技術學院應用化學工程系，甘肅蘭州 730060）

介紹了納米金基因探針的制備方法，對小尺寸納米金的自催化性能進行了分析研究，在此基礎上，探討了納米金自催化機理放大光學信號及其在光學傳感器方面的應用價值。

納米金；自催化生長；抗壞血酸；基因探針

21世紀，由于納米技術的飛速發展，納米材料被廣泛的應用到各個領域，產生了巨大的經濟效益和社會價值。而納米尺寸的金顆粒（AuNPs），以其良好的粒子分散效應，納米尺寸效應，表面效應，光譜吸收效應以及自催化效應，成為當前納米學界乃至整個科學界的研究熱點［1］。近幾年，由于納米技術的深入發展，研究發現，小尺寸的納米金（小于10 nm）表現出較高的催化活性，打破了認為金沒有催化活性的傳統觀念，致使人們對其催化特性產生了極大的關注興趣［2］。而從經濟角度上來看，金的價錢要遠遠低于鉑和鈀，正是由于這些原因使得金催化劑的研究已經成為催化領域中的一個新的熱點。目前有關納米金微粒的研究日趨活躍，但由于實驗條件和方法的不同存在很多爭議，對其催化活性影響的本質原因尚在探討之中，關于其高催化活性的原因，較多研究工作結論將其歸結于量子尺寸效應［3］。當金屬粒子小到一定程度以后，金屬本身的電子性質將發生變化，從而導致其化學和物理性質出現突變。例如，局域表面等離子體共振效應（LSPR），并且對光具有很強的吸收和散射特性。研究顯示，納米金所表現出來的這些獨特的光學性質，與納米顆粒的形狀、結構、尺寸有直接的關系，對周圍介質極其敏感，在傳感技術領域的推廣應用具有極為重要的意義。這里重點探討小尺寸納米金顆粒的自催化效應，尤以其特殊光學性質及獨特的生物親和性，被廣泛用來標記細胞、DNA等生物大分子［4，5］，通過納米金自催化生長后的納米微粒，其光學信號顯著增強，可顯著提高光學傳感器件的檢測靈敏性［6］。在用于臨床診斷的光學傳感器發展歷程中，納米金傳感器因其靈敏性高，壽命長，功能多而被廣泛應用于各種電學和光學生物檢測平臺。在這里，就近年關于納米金自催化機理的本質，及其放大生物探針信號的過程進行分析，并對其在生物檢測及臨床診斷方面的應用價值一并進行展望。

1 納米金

1．1 納米金膠體的形成過程

迄今為止，已有很多關于納米金合成方法的研究報道，較多采用檸檬酸鈉還原氯酸金的方法，合成納米金溶液［7］。通過調整還原劑量及種類，還原金鹽（HAuCl4）的方法，在保護劑或者靜電斥力等作用下，就可以合成出不同粒徑不同形狀的多分散納米金顆粒。圖1所示為金離子被還原為納米金的過程：在加入還原劑之前，溶液為100%金鹽溶液，圖表的縱座標顯示出，隨著還原劑的加入，金離子被還原成原子的進程，金原子量在明顯激增之后，會達到過度飽和狀態，隨后開始團聚，即所謂成核階段，由11個金原子快速團聚形成二十面體形的金核晶體，而溶液中的其余金原子則按照能量遞減的梯度一次吸附在金核外圍。在定量的金鹽溶液中，一開始所形成的晶核越多，最終所得到的金納米粒子尺寸越小。所以，可以通過控制還原劑用量，來合成不同尺寸粒徑的金納米顆粒。通過控制反應條件，若能實現快速成核，就可得到尺寸均一的單分散納米金膠體顆粒。單個膠體金顆粒由中心的納米膠團以及其周圍的負電荷層包裹而成，由于此電荷斥力，納米金顆粒可以長期穩定的分散開來，避免團聚形成沉淀，而此電荷層的厚度則取決于周邊體系中離子濃度高低。反之，若實驗條件控制不當，往往得到的是不規則的多分散納米金膠體顆粒，比如橢圓形、三角形、矩形、菱形等。

圖1 金離子被還原繼而形成納米金的過程Figure 1 Process of reducing gold ions and then the formation of gold nanoparticles

1.2 納米金顆粒尺寸優選

一般情況下，粒徑越大，團聚過程中的顏色變化越明顯，比如，肉眼很難觀察到粒徑為1 nm的金顆粒，而當粒徑增大至5 nm以上，至40 nm時，則會很容易觀察到桃紅色。隨著粒徑增大，空間位阻效應越為顯著。從可見性及空間位阻兩方面綜合考慮，一般用于生物大分子標記納米金顆粒，粒徑通常在40 nm左右，但有些情況下，為避免空間位阻的干擾，尤其是在DNA檢測應用中，為保證較高的雜交效率，多選用小尺寸，因其溶液濃度高，分散性好，納米金顆粒表面更有利于耦合生物大分子，10～20 nm的納米金顆粒常用來修飾標記生物探針，一般可通過共價鍵或者吸附作用將標記核苷酸耦合在納米金膠粒上。圖2顯示，通過控制還原劑加入量，可以合成出不同粒徑的球狀納米金顆粒，在波長520 nm附近出現納米金顆粒的等離子共振紫外吸收特征峰，此吸收峰的位置、形狀與納米金顆粒的大小、形狀與分散狀態密切相關［8］。隨著還原劑檸檬酸鈉用量的增大，吸收峰的位置向短波方向移動。隨著粒徑增大，金溶膠的紫外-可見吸收光譜峰展寬且向長波方向移動。研究結果表明，紫外-可見吸收光譜不僅可以用來表征納米金顆粒的光學性質，其粒徑大小與分布也可以體現出來。

圖2 不同還原條件下合成不同粒徑金納米顆粒的紫外-可見吸收光譜Figure2 UV－visible absorption spectrum of the syn thesized gold nanoparticles w ith different sizes under different reduction conditions

2 納米金自催化生長

2.1 均相體系中納米金自催化生長

圖3顯示金鹽溶液被還原并形成納米金顆粒的過程。先前關于納米金自催化生長的報道主要集中在NH2OH，H2O2，NADH，還原劑上，這里我們分析弱還原劑AA（抗壞血酸維C）還原金離子促進納米金生長過程，納米金最終可增大至溶液中金離子消耗完畢，隨著粒徑增大，其特征吸收峰變化可通過紫外-可見光譜直接測出，最終的吸光度值依賴于納米金核數量，當用其來標記生物探針時，即可隨之確定待測標本中的目標生物分子量。利用納米金自催化生長原理，原始納米金膠核作為晶種，自身扮演催化劑及成核中心角色，為避免生長過程中新核的產生，在金鹽生長溶液中，加入弱還原劑抗壞血酸維C，在沒有加晶種溶液之前，它的還原性不足以將溶液中的Au3＋先還原為Au°，當加入晶種溶液后，反應開始，抗壞血酸維C即表現出還原性，將溶液中的Au3＋先還原為Au＋，再隨即還原為Au°，并使其沉積附著在納米金膠核上，隨著粒徑增大，其吸光強度隨之增強，在此自催化過程中，生長時間及體系中金離子濃度將決定最終納米金微粒尺寸大小，以期來放大信號，提高檢測靈敏度，在新型光學傳感器的開發研究領域表現出良好的應用價值。可用來標記檢測無機分子，有機分子，生物大分子及細胞等臨床診斷中。

圖3 還原劑還原金鹽HAuCl4及其在納米金核表面的沉積過程Figure 3 Gold salt HAuCl4reduced by reducing agent and its deposition p rocess in the nuclear surface of gold nanoparticles

2.2 納米金自催化生長的動力學過程研究

圖4 A：納米金自催化生長過程的紫外吸收光譜（間隔3m in掃描一次）。B：不同初始濃度納米金核自催化過程的動力學行為研究。（生長溶液：0．25mmol／L HAuCl4，10mmol／L AA，and 0．1mol／L CTAB；初始濃度：a＝3．5 pmol／L；b＝8．75 pmol／L；c＝17．5 pmol／L）Figure4 A：UV absorption spectrum of the growth process of self－catalyzed gold nanoparticles（scan interval of threeminutes）．B：dynamic behavior of self catalysis process of nanogold nucleuswith different initial concentration（Growth solution：0．25mM HAuCl4，10mM AA，and 0．1M CTAB；initial concentration：a＝3．5 pM；b＝8．75 pM；c＝17．5 pM）

圖4A所示。自催化生長依賴于生長時間及金核種子初始濃度，在催化開始20 min后，吸光強度值不再上升，該過程顯示納米金顆粒的光學性質取決于其粒徑及形狀，相對于初始金核，顯示出明顯的紅移，在生長過程導致少許團聚［9］，而最終的吸光強度則跟初始金核濃度成正比。通過對晶種生長法反應過程的系統研究，發現恒定晶種量，通過調節生長溶液的量即可控制合成不同粒徑或形貌的金納米顆粒。該實驗數據表明：pH為11時，維C作為還原劑，CTAB作為表面活性劑，納米金微粒可快速生長成大粒徑膠體金，而還原劑及金鹽量則決定了生長時間和最終特征吸收峰位置，以此可以優選自催化條件，設計相關實驗步驟定量分析生物大分子，將其應用于納米金標記的光學傳感器，來放大檢測信號，提高其檢測靈敏度。由圖4B看出，當用優選出的生長時間和吸光強度去調查納米金的自催化生長行為時，可以清楚的看到，其生長速率明顯依賴于納米金核的初始濃度，為定量分析提供了堅實的理論依據，由此可以檢測出一系列不同濃度的目標分析物，做出相應的標準曲線，實現該方法的應用價值。

3 展望

綜上所述，進一步探究納米金催化劑的自催化本質并拓寬其實際應用范圍，將成為新的研究熱點，為開發各種新的納米金自催化化學反應或提高光學傳感器檢測限提供了新的可能，實現以相對簡單，價廉，易操作的紫外-可見分光光度計來快速定量分析生物大分子，尤其對于一類癌變基因序列的檢測，有望開發并應用于下一代基因傳感器，從而為臨床診斷及前期治療提供數據參考。

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Self－catalytic G row th of Gold Nanoparticles and Their Application

YANG Xi-ping，ZHAN Zong-rui

（Departmentof Applied Chemical Engineering，Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology，Lanzhou 730060，China）

Themethod of the preparation of gold nanoparticles was outline，and the self－catalytic mechanism of the gold nanoprobeswaswell explained.On this basis，signal enhancements in the absorbance intensity and kinetic behavior for gold enlargenment have been well investigated，and the potential contribution to the development of the optical biosensor was also expected.

Nano gold；Self－catalytic growth；Ascorbic acid；Gene probe

TP212.3；TB383.1

： A

： 1004-275X（2014）01-0030-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.01.008

收稿：2013-05-14

楊西萍（1966-）女，甘肅蘭州人，副教授，從事有機化工的教學及研究工作。