大腸桿菌吸附-化學還原法用廢含金催化劑制備金納米線

楊海賢，林麗芹，黃加樂，李清彪

（1. 湄洲灣職業(yè)技術學院 化學工程系，福建 莆田 351200；2. 廈門大學 化學化工學院，福建 廈門 361005）

大腸桿菌吸附-化學還原法用廢含金催化劑制備金納米線

楊海賢1，2，林麗芹2，黃加樂2，李清彪2

（1. 湄洲灣職業(yè)技術學院 化學工程系，福建 莆田 351200；2. 廈門大學 化學化工學院，福建 廈門 361005）

采用大腸桿菌吸附-化學還原法，以大腸桿菌（ECCs）為模板、十六烷基三甲基溴化銨為保護劑、抗壞血酸為還原劑，由廢含金催化劑制備金納米線（AuNWs）。采用 XRD，SEM，TEM等技術對AuNWs進行表征。研究了AuNWs對羅丹明6G（R6G）和4-巰基苯甲酸（4-MBA）的拉曼散射信號的增強效果。實驗結果表明：在制備過程中加入微生物ECCs，可使金回收率提高約20百分點；當溶液pH小于4時，反應2 h后，有大量呈線狀的AuNWs聚集沉降，金回收率可達99%以上。表征結果顯示，AuNWs呈多晶結構，晶格間距為0.23 nm。表面增強拉曼散射分析表明，AuNWs對R6G和4-MBA具有良好的拉曼光譜增強性能。

廢含金催化劑；大腸桿菌；金納米線；吸附；化學還原；表面增強拉曼散射

近年來隨著納米科學和技術的不斷進步以及人們對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，以生物還原技術為代表的新興金納米材料的制備方法受到廣泛關注。金納米材料的尺寸、形貌、間距、表面結構等具有高度可調性，使它不僅具有良好的光學吸收特性，還可以顯著增強拉曼散射信號，是目前使用最多且活性最高的表面增強拉曼散射（SERS）基底［1-5］。從工業(yè)廢棄物中回收貴金屬并循環(huán)利用，不僅能夠保護自然環(huán)境，而且能在一定程度上緩解貴金屬需求。采用菌體吸附的方法，通過菌體的細胞壁與Au（Ⅰ）或Au（Ⅲ）溶液相互作用，在低溫下從含金廢液中沉積回收金，已引起人們的關注［6］。在已有研究中，大多使用活菌體吸附還原，形成的納米顆粒主要位于細胞內，而大量菌體分散懸浮在溶液中［7］，這給后續(xù)處理帶來了一定的困難。采用死菌體制備的納米材料主要位于細胞表面或細胞外，不受細胞代謝及生長條件的影響，具有更為靈活的操作空間。在本課題組的前期研究中，通過大腸桿菌（ECCs）、抗壞血酸（AA）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）的協同作用，在純金液體中對所制備的金納米材料的形貌進行了調控［8］，同時使生成的金納米材料快速沉降。該研究尚未應用于廢含金催化劑回收金的過程。

本工作采用大腸桿菌吸附-化學還原法，以ECCs為模板、AA為還原劑、CTAB為保護劑，由廢含金催化劑制備金納米線（AuNWs）。采用XRD，SEM，TEM等技術對AuNWs進行表征。研究了AuNWs對羅丹明6G（R6G）和4-巰基苯甲酸（4-MBA）的SERS信號的增強效果。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

AA，CTAB，R6G，4-MBA：分析純。98%（w）濃硫酸、30%（w）H2O2溶液：化學純。

ECCs菌種：廈門大學生物系。按照文獻［8］的方法進行培養(yǎng)，收集培養(yǎng)后的菌液，用去離子水多次離心洗滌，將菌體沉淀物置于80 ℃烘箱烘干至恒重，冷卻后研磨成微細粉末，保存于干燥器中備用。

廢含金催化劑：廈門大學工業(yè)催化實驗室，金質量分數為0.1%～1.0%。

TAS-986型原子吸收分光光度計：北京普析通用儀器有限公司；LEO-1530型場發(fā)射掃描電子顯微鏡：德國LEO公司；TECNAI F30型場發(fā)射透射電子顯微鏡：荷蘭Philips公司；X'Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀：荷蘭PANalytical B. V.公司；LabRam I型共焦顯微拉曼光譜儀：法國Dilor公司。

1.2 廢含金催化劑中金的溶解

采用王水溶解廢含金催化劑，進行趕硝處理。將溶解液過濾，得到黃色澄清溶液。移取一定體積的黃色溶液，加入去離子水，配制成50 mL濃度為10.00 mmol/L的含金溶液。置于棕色試劑瓶中，于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 AuNWs的制備

向250 μL濃度為10.00 mmol/L的含金溶液中加入9.5 mL去離子水，振蕩搖勻。用濃度為0.1 mol/ L的NaOH溶液調節(jié)pH。向含金溶液中加入0.005 g ECCs菌粉和500 μL濃度為0.1 mol/L的CTAB，振蕩搖勻，再加入50 μL濃度為0.1 mol/L的AA，振蕩搖勻。置于溫度為30 ℃、轉速為150 r/min的水浴搖床上反應2 h。將反應產物用去離子水洗滌，烘干，得到AuNWs。

1.4 SERS檢測

采用R6G和4-MBA為探針分子，以ECCs作為對照組，考察以AuNWs為基底的不同濃度R6G和4-MBA的SERS增強效果。將空白玻片放入V（濃硫酸）∶V（H2O2溶液）=3的混合溶液中超聲30 min，洗凈烘干。將制得的AuNWs用去離子水超聲清洗3次，烘干后再加入50 μL去離子水，均勻分散沉淀物后滴加到玻片上，再滴加10 μL R6G或4-MBA，制成SERS試樣。逐級稀釋R6G與4-MBA，以能夠觀測到SERS信號的最低濃度作為探測極限。

1.5 分析方法

采用原子吸收分光光度法測定金含量，計算金回收率；采用SEM，TEM，XRD等技術對產物的形貌進行表征；采用拉曼光譜儀對SERS試樣進行分析。

2 結果與討論

2.1 微生物的加入對AuNWs制備效果的影響

向含金溶液中加入ECCs和CTAB后，溶液顏色加深，由淺黃色變成黃色，這是由于Au（Ⅲ）與CTA+發(fā)生了絡合反應；加入還原劑AA，振蕩后溶液變?yōu)闊o色；反應2 h后，瓶底產生黑色顆粒，并不斷團聚。經紫外-可見光譜和原子吸收光譜檢測，表明溶液中的Au（Ⅲ）已完全轉化，并被菌體吸附及還原。微生物的加入對金回收率的影響見圖1。由圖1可見，加入ECCs后，金回收率明顯增加，較未加入ECCs時提高了約20百分點。

2.2 溶液pH對AuNWs制備效果的影響

溶液pH對金回收率的影響見圖2。由圖2可見，在不同溶液pH條件下反應，金的回收率均可達99%以上。

不同溶液pH條件下的產物照片見圖3。由圖3可見：當溶液pH小于4時，在反應體系中可見一定數量的沉淀顆粒；當溶液pH大于6時，有大量的金納米顆粒生成，并懸浮在溶液中，導致反應液變成黑色。

圖1 微生物的加入對金回收率的影響

圖2 溶液pH對金回收率的影響

圖4 不同溶液pH條件下產物的SEM照片

不同溶液pH條件下產物的SEM照片見圖4。由圖4可見，當溶液pH小于4時，有大量呈放射狀或柳條狀的金納米線形成；當溶液pH為6.48時，形成了大量球形金納米顆粒。由此可見，金納米線主要在強酸性環(huán)境中生成。在強酸性環(huán)境中Au（Ⅰ）發(fā)生還原的速率慢；而在中性偏堿性環(huán)境中有利于AA的水解，反應速率加快，金離子快速還原成核，生長為球形顆粒［9］。

2.3 AuNWs的表征

AuNWs的TEM照片見圖5。由圖5可見，AuNWs的晶格間距為0.23 nm。

AuNWs的XRD譜圖見圖6。由圖6可見，在2θ=38.2°，44.4°，64.5°，77.5°，81.7°處出現了5個明顯的衍射峰，分別對應金的（111），（200），（220），（311），（222）晶面。其中主衍射峰對應（111）晶面，AuNWs呈面心立方（FCC）晶格［7］，納米線優(yōu)先沿晶面（111）的方向生長，為多晶結構。

圖3 不同溶液pH條件下的產物照片

圖5 AuNWs的TEM照片

圖6 AuNWs的XRD譜圖

2.4 AuNWs對SERS的增強效果

以AuNWs為基底的不同濃度R6G試樣的拉曼光譜圖見圖7。由圖7可見：613 cm-1和773 cm-1處出現了C—C—C環(huán)的面內振動峰和C—H鍵的面外振動峰；1 311 cm-1和1 572 cm-1處出現了δ（N—H）鍵的面內彎曲振動峰；1 361，1 511，1 652 cm-1處出現了σ（C—C）鍵的伸縮振動峰［9-10］。

圖7 以AuNWs為基底的不同濃度R6G試樣的拉曼光譜圖a 1×10-6mol/L；b 1×10-9mol/L；c 1×10-12mol/L；d 對照組

以 AuNWs為基底的不同濃度4-MBA試樣的拉曼光譜圖見圖8。由圖8可見：1 076 cm-1和1 587 cm-1處出現了芳香環(huán)中ν（C—C）鍵的振動峰；1 153 cm-1和1 270 cm-1處出現了δ（C—H）鍵和ν（COO—）的振動峰［11-12］。

圖8 以AuNWs為基底的不同濃度4-MBA試樣的拉曼光譜圖a 1×10-6mol/L；b 1×10-9mol/L；c 1×10-12mol/L；d 對照組

由圖7和圖8還可見：當R6G和4-MBA的濃度為1×10-12mol/L時，AuNWs仍有較強的SERS信號增強效果；AuNWs對R6G的SERS檢測靈敏度優(yōu)于對4-MBA的SERS檢測靈敏度；AuNWs對4-MBA的SERS響應強度高于對R6G的SERS響應強度。由此可見，從廢含金催化劑制備得到的AuNWs具有良好的拉曼光譜增強性能，可為環(huán)境領域內R6G和4-MBA的SERS檢測提供一種簡單和快速的方法。

3 結論

a）采用大腸桿菌吸附-化學還原法，以ECCs為模板、CTAB為保護劑、AA為還原劑，由廢含金催化劑制備AuNWs。在制備過程中加入微生物ECCs，可使金回收率提高約20百分點。當溶液pH小于4時，有大量呈線狀的AuNWs聚集沉降。反應2 h后，金回收率可達99%以上。

b）SEM，TEM，XRD的表征結果顯示，AuNWs呈多晶結構，晶格間距為0.23 nm。

c）AuNWs具有良好的拉曼光譜增強性能。當R6G和4-MBA的濃度為1×10-12mol/L時，AuNWs仍有較強的拉曼光譜增強效果，可為環(huán)境領域內R6G和4-MBA的SERS檢測提供一種簡單和快速的方法。

［1］ Golightly R S，Doering W E，Natan M J. Surface-Enhance Raman Spectroscopy and Homeland Security：A Perfect Match?［J］. ACS Nano，2009，3（10）：2859 - 2869.

［2］ Pieczonka N P W，Aroca R F. Single Molecule Analysis by Surfaced-Enhanced Raman Scattering［J］. Chem SocRev，2008，37（5）：946 - 954.

［3］ 馬小媛，劉穎，王周平. 瓊脂糖凝膠/納米金復合結構的制備及其表面增強拉曼性質［J］. 光譜學與光譜分析，2014，34（8）：2126 - 2131.

［4］ 莫冰，李和平，陳娟. 表面增強拉曼光譜（SERS）及其在定量測量中的研究進展［J］.光散射學報，2013，25（3）：219 - 234.

［5］ Hou Xiaomiao，Zhang Xiaoling，Chen Shutang，et al. Size-Controlled Synthesis of Au Nanoparticles and Nanowires and Their Application as SERS Substrates［J］. Colloid Surf，A，2011，384（1/2/3）：345 - 351.

［6］ Zhan Guowu，Huang Jiale，Du Mingming，et al. Liquid Phase Oxidation of Benzyl Alcohol to Benzaldehyde with Novel Uncalcined Bioreduction Au Catalysts：High Activity and Durability［J］. Chem Eng J，2012，187（1）：232 - 238.

［7］ Hou Xiaomiao，Zhang Xiaoling，Fang Yan，et al. Synthesis of SERS Active Au Nanowires in Different Noncoordinating Solvents［J］. J Nanopart Res，2011，13（6）：2625 - 2632.

［8］ Yang Haixian，Lin Liqin，Odoom-Wubah Tareque，et al. Microorganism-Mediated，CTAB-Directed Aggregation of Au Nanostructures Around Escherichia Coli Cells：Towards Enhanced Au Recovery Through Coordination of Cell-CTAB-Ascorbic Acid［J］. Sep Purif Technol，2014，133：380 - 387.

［9］ Yang Haixian，Du Mingming，Odoom-Wubah Tareque，et al. Microorganism-Mediated，CTAB-Directed Synthesis of Hierarchically Branched Au-Nanowire/Escherichia Coli Nanocomposites with Strong Near-Infrared Absorbance［J］. J Chem Technol Biotechnol，2014，89（9）：1410 -1418.

［10］ 郭浩，戴樹璽，張興堂，等．銀、金溶膠及銀／金混合膠體的制備和拉曼增強特性的研究［J］．河南大學學報，2011，41（3）：246 - 250.

［11］ Castro-Longoria E，Vilchis-Nestor A R，Avalos-Borja M. Biosynthesis of Silver，Gold and Bimetallic Nanoparticles Using the Filamentous Fungus Neurospora Crassa ［J］. Colloid Surf，B，2011，83（1）：42 -48.

［12］ Wu Deyin，Liu Xiumin，Duan Sai，et a1.Chemical Enhancement Effects in SERS Spectra：A Quantum Chemical Study of Pyridine Interacting with Copper，Silver，Gold and Platinum Metals［J］. J Phys Chem C，2008，112（11）：4195 - 4204.

（編輯 王 馨）

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Preparation of Au Nano-Wire with Waste Gold-Containing Catalyst by E. Coli Adsorption-Chemical Reduction Method

Yang Haixian1，2，Lin Liqin2，Huang Jiale2，Li Qingbiao2
（1. Department of Chemical Engineering，Meizhouwan Vocational Technology College，Putian Fujian 351200，China；2. Department of Chemistry and Chemical Engineering，Xiamen University，Xiamen Fujian 361005，China）

The Au nano-wires （AuNWs）were prepared with waste gold-containing catalyst by E. Coli adsorptionchemical reduction method using E. Coli cells （ECCs）as bio-template，cetyltrimthyl ammonium bromide （CTAB）as protective agent and ascorbic acid （AA）as reducing agent，and characterized by XRD，SEM and TEM. The enhancement effects of AuNWs on Raman scattering signals of Rhodamine 6G （R6G）and 4-sulphur benzoic acid（4-MBA）were studied. The experimental results indicate that：The Au recover rate can be increased by about 20 percent with the addition of ECCs；When the solution pH is less than 4 and the reaction time is 2 h，plenty of linear AuNWs are gathered and settled，and the Au recover rate reaches 99%. The characterization results show that the AuNWs exhibits the polycrystalline structure with 0.23 nm of lattice spacing. The surface-enhanced Raman scattering（SERS）analysis results show that AuNWs have good enhancement effects on Raman spectra of R6G and 4-MBA.

waste gold-containing catalyst；E. Coli；gold nano-wire；adsorption；chemical reduction；surfaceenhanced Raman scattering

X703.1

A

1006-1878（2015）05-0521-05

2015 - 03 - 27；

2015 - 06 - 09。

楊海賢（1973—），男，福建省莆田市人，碩士，副教授，電話18959578229，電郵yhx507@163.com。

福建省教育廳A類科研項目（JA14440）；莆田市工業(yè)科技類科研項目（2012JG01）。