谷胱甘肽修飾金納米棒的制備及與Cu2+的作用

張齡月, 遲婭楠, 單桂曄, 陳艷偉, 劉 娜

(1. 東北師范大學物理學院, 長春 130024;2. 吉林大學環境與資源學院, 長春 130012)

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谷胱甘肽修飾金納米棒的制備及與Cu2+的作用

張齡月2, 遲婭楠1, 單桂曄1, 陳艷偉1, 劉 娜2

(1. 東北師范大學物理學院, 長春 130024;2. 吉林大學環境與資源學院, 長春 130012)

制備了谷胱甘肽(GSH)功能化的金納米棒復合材料, 根據金納米棒的等離子體吸收峰對其組裝排列敏感的特性, 研究了功能化的金納米棒在不同pH值下的組裝行為及與Cu2+離子作用后引起的聚集程度、 排列方式和光學吸收等變化. 同時, 測試了純金納米棒和谷胱甘肽修飾的金納米棒分別與銅離子作用后所得復合材料的光熱轉換性能. 結果表明, 相對于純金納米棒材料強的光熱轉換效應, 銅離子能明顯降低復合材料的光熱轉換效應, 與其它金屬離子比較, GSH修飾的金納米棒的等離子光學特性對銅離子具有選擇性的變化.

金納米棒; 谷胱甘肽; 銅離子; 等離子體共振吸收; 無機納米復合材料

近年來, 金納米棒因具有獨特的物理化學特性而被廣泛應用于生物識別標記、 化學檢測、 光熱治療及催化等領域[1～6]. 金納米棒的消光特性包括吸收消光和散射消光, 它一方面受入射光的波長影響, 另一方面還依賴于顆粒的長徑比. 金納米棒具有縱向表面等離子體共振(LSPR)吸收帶和橫向表面等離子體共振(TSPR)吸收帶[7～10], 通過改變金納米棒的橫縱尺寸比例, 金納米棒的LSPR吸收峰位可以從可見光區調節到近紅外區域. 金納米棒的聚集程度也和LSPR峰位有關, 當金納米棒的聚集程度增大時, LSPR的峰位會發生紅移, LSPR吸收峰的半峰寬也會展寬. 利用金納米棒等離子體吸收吸收光譜的這些變化, 可以了解其組裝過程. 谷胱甘肽(GSH)是一種含γ-酰胺鍵和巰基的三肽, 由谷氨酸、 半胱氨酸及甘氨酸組成. 半胱氨酸上的巰基為谷胱甘肽的活性基團, 可與金屬作用, 這也是GSH誘導金納米棒材料形成不同聚集狀態的主要原因[11～13].

在金納米棒表面吸附GSH可以改變金納米棒的介電常數, 進而改變其折射率, 而折射率的改變會誘導等離子體移動, 所以金納米棒可被用于超靈敏、 輕型以及遠程的化學和生物醫藥傳感器[14～18]. 重金屬離子可以使金納米棒進行組裝, 組裝后, 金納米棒在相互接近過程中等離子體耦合會引起光譜的移動[19,20], 由于金納米棒的LSPR峰對長徑比的變化敏感[21～25], 在不同的pH環境下, GSH修飾金納米棒的排列方式不同會影響縱向LSPR峰峰位的變化. 本文利用金納米棒材料的尺寸依賴及各向異性等性質, 研究了Cu2+離子引起的金納米棒的聚集程度、 排列方式和光學吸收等的變化(在吸收光譜上體現出明顯的縱向吸收峰的移動). 通過研究金屬離子誘導GSH修飾金納米棒的選擇性排布聚集, 建立了一種能夠用于檢測有害物質的有效方法.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB, 中國惠世生化試劑有限公司); 無水乙醇(C2H5OH, 北京化工廠); 硼氫化鈉(NaBH4, 國藥集團化學試劑有限公司); 硝酸銀(AgNO3)、 氯金酸(HAuCl4·3H2O)和抗壞血酸(C6H8O6)購于Sigma公司. 所用試劑均為分析純.

JEM-2100F 型透射電子顯微鏡(TEM, 日本電子公司); Nano Zetasizer 2000 型動態光散射儀(英國Malvern 公司); F-4500 型熒光光譜儀(日本Hitachi 公司); HarshawTLD 3500 型手動熱釋光測量儀(美國Thermo Fisher 公司) .

1.2 實驗過程

1.2.1 金納米棒的制備 采用種子生長法[5]制備金納米棒. 首先制備種子溶液: 配制0.25 mL 0.01 mol/L的氯金酸溶液和9.75 mL 0.1 mol/L的CTAB溶液, 并將兩溶液混合, 再加入0.6 mL 0.01 mol/L的硼氫化鈉溶液, 快速晃動2 min左右, 于室溫下放置2 h后使用; 然后將2 mL 0.01 mol/L的氯金酸溶液、 0.4 mL 0.01 mol/L的AgNO3溶液和40 mL 0.1 mol/L的CTAB溶液混合, 再依次加入新鮮配制的0.32 mL 0.01 mol/L抗壞血酸和0.8 mL 1.0 mol/L的鹽酸, 將溶液混合搖勻后, 向其中加入96 μL種子溶液, 將混合溶液均勻晃動10 s后, 再靜置6 h, 即獲得金納米棒溶液.

1.2.2 谷胱甘肽修飾金納米棒的制備 取10 mL上述金納米棒溶液, 加入10 mL 0.2 mmol/L的GSH, 放置10 min后將反應后的混合物平均分成10份, 取其中的7份, 用鹽酸和氫氧化鈉調節溶液pH值分別為2， 3, 4, 5, 6, 11, 12, 再攪拌50 min, 然后將混合物在室溫下放置12 h. 反應后的復合物溶液經超聲離心(4000 r/min)后用水洗滌, 去除游離的GSH, 即得到GSH修飾的金納米棒復合材料, 記為GSH-Au NRs.

1.2.3 Cu2+離子對金納米棒組裝的影響 用CuSO4·5H2O配制Cu2+濃度分別為0.08, 0.205和0.425 mol/L的溶液. 另取3份各1 mL上述GSH修飾的金納米棒溶液, 調節pH值均為5, 然后分別加入100 μL Cu2+濃度為0.08, 0.205和0.425 mol/L的溶液, 在室溫、 避光條件下放置2 h, 利用紫外-可見吸收光譜儀和透射電子顯微鏡研究銅離子對金納米棒組裝的影響.

2 結果與討論

2.1 pH值變化對GSH修飾金納米棒的影響

Fig.1 LSPR spectra of pure Au nanorods(a) and Au nanorods modified with GSH molecular at different pH values

圖1示出了GSH修飾的金納米棒(GSH-Au NRs)在pH改變后LSPR吸收峰的變化. 圖1譜線a為未修飾GSH的金納米棒, 其LSPR吸收峰位于780 nm, 顯示出了半峰寬窄、 對稱性好的特性, 說明獲得的材料尺寸具有均一性. 圖1譜線b～h示出了GSH修飾的金納米棒溶液在不同pH值下的等離子共振吸收曲線, 可以看到, pH從2.0至13.0的改變會明顯影響金納米棒的等離子共振吸收: 在酸性條件下(譜線b～e), 金納米棒的LSPR吸收峰紅移明顯; 在堿性條件下(譜線g～h), LSPR吸收峰紅移較小, 并且對稱性降低, LSPR吸收峰的變化表明pH值會影響GSH修飾金納米棒的聚集行為.

2.2 GSH修飾金納米棒的形貌及電位分析

為了進一步證明GSH修飾的金納米棒在不同pH下的聚集行為, 分別選擇未修飾的金納米棒及在pH值為2和12條件下GSH修飾的金納米棒進行TEM表征(圖2). 圖2(A)為未修飾GSH的金納米棒的TEM照片, 可見金納米棒是隨機分布的, 沒有特殊的排列. 圖2(B)是pH=2.0下GSH修飾的金納米棒的組裝排列照片, 可見金納米棒以頭對頭方式分布, 與圖1中在低pH下LSPR光譜紅移明顯相對應, 頭對頭的排列聚集實質增加了金納米棒的長徑比, 這會使金納米棒的LSPR峰移動明顯. 由圖2(C)可見, 在pH=12.0條件下GSH-Au NRs是以側面與側面并排方式存在, 與圖1的堿性條件下GSH修飾的金納米棒吸收峰位移動紅移不明顯并且半峰寬展寬相對應. 在堿性條件下, 以肩并肩方式組裝的金納米棒使長徑比范圍寬化, 但長徑比變化范圍很小, 因此導致吸收峰位紅移小, 但半峰寬寬化.

Fig.2 TEM images of pure Au nanorods(A), GSH-Au NRs at pH=2(B) and pH=12(C)

Fig.3 Surface zeta potential of GSH-Au NRs at different pH values

為進一步研究金納米棒被GSH修飾后pH的改變對其表面電位的影響, 表征了不同pH值下樣品的Zeta表面電位.Zeta電位的變化反映了GSH修飾金納米棒表面電荷在不同pH下的變化(圖3). 結果表明, 在不同pH值的溶液中, GSH修飾的金納米棒的表面電位值發生了明顯變化, 純金納米棒為酸性(pH=2), 此時帶正電荷的CTAB分子的雙層覆蓋金納米棒, 表面電位為+35 mV. 當金納米棒與GSH結合后, GSH的氨基(—NH2)、 羧基(—COOH)官能團的電離常數在不同的pH值下會發生改變, GSH分子的結構也會改變, 所以表現出不同的表面電位. 在酸性條件下, 正電荷的CTAB分子的雙層覆蓋金納米棒, GSH在酸性條件下也顯示正電性, 此時CTAB與GSH形成排斥作用, 因此GSH會利用巰基官能團在CTAB少的頭部位置組裝, 形成了如圖2(B)的頭對頭的組裝方式; 隨著pH值的增大, GSH逐漸轉變為負電性, 此時溶液中GSH會首先與CTAB發生靜電吸引, 從而使得金納米棒的表面電位降為負值, 并形成圖2(C)中肩并肩的組裝方式.

Fig.4 Absorption spectra of GSH-Au NRs with Cu2+ of different concentrations

2.3 Cu2+對GSH-Au NRs的聚集及光學特性的影響

Fig.5 TEM image of GSH-Au NRs with 0.205 mmol/L Cu2+ at pH=5

Fig.6 Effects of different metal ions on LSPR absorption of GSH-Au NRs

谷胱甘肽的氨基與羧基能夠分別與具有d軌道的過渡金屬離子發生配位螯合作用, 因此選用不同的金屬離子, 研究其與GSH-Au NRs的作用及對金納米棒光學特性的影響. 首先選用對環境和健康具有重要影響的Cu2+作為研究對象, 研究了pH=5時不同濃度Cu2+對金納米棒LSPR峰的影響. 將100 μL濃度為0.080, 0.205和0.425 mmol/L的Cu2+離子分別加入到3份1 mL相同濃度GSH修飾的金納米棒溶液中, 結果發現, 加入Cu2+離子后, 金納米棒的等離子體吸收峰發生了明顯變化(圖4). 圖4譜線a是GSH修飾的金納米棒在pH=5時的等離子共振吸收光譜, 其LSPR峰位在760 nm處; 加入少量Cu2+后(譜線b), 金納米棒的LSPR吸收峰的峰位未發生明顯紅移; 當向溶液中加入0.205 mol/L Cu2+后(譜線c), LSPR峰位發生了明顯紅移(紅移至850 nm); 繼續加入銅離子(譜線d), LSPR吸收峰則不再繼續移動, 這可能是在低濃度范圍內, Cu2+可能引起少量的GSH修飾的金納米棒聚集; 當Cu2+濃度繼續增加, 使金納米棒完全組裝之后, 再加入銅離子則不能使LSPR吸收峰繼續移動. 為了驗證Cu2+的加入對金納米棒組裝的影響, 對加入0.205 mol/L Cu2+的金納米棒進行形貌分析, 圖5為加入Cu2+后金納米棒的TEM照片. 在酸性條件下, 與GSH依靠靜電相互作用引起金納米棒松散的組裝相比, 加入Cu2+后金納米棒能夠更加緊密地排布到一起, 這也證明了GSH的氨基中的N與羧基中的O的孤對電子能夠與Cu2+的空d軌道形成強配位作用, 進而引起納米棒的緊密排布.

Fig.7 Photothermal curves before and after irradiation(A) and the infrared images of Au NRs(B), GSH-Au NRs+0.01 mmol/L Cu2+(C) and GSH-Au NRs+1 mmol/L Cu2+(D) under laser irradiation

為了進一步驗證金納米棒復合材料對金屬離子的選擇性, 在pH=5時選取Ca2+, Zn2+, Mg2+, Mn2+, Na+, Fe3+, Al3+做比較(濃度均為0.205 mol/L), 結果如圖6所示. 其它離子的加入使金納米棒的等離子吸收峰紅移較小, Cu2+引起吸收峰的移動明顯強于其它離子. 其它離子峰位的移動可能是來源于溶液中介電常數的改變, 按照Mie理論[26], 溶液介電常數的變化會改變納米材料的消光截面, 導致其吸收峰位紅移, 通過比較也發現不同離子引起的吸收峰位變化基本一致, 證明了其紅移是介電常數的改變引起的; 但Cu2+的加入除了會影響溶液介電常數外, 還會使GSH修飾的金納米棒進一步聚集, 即GSH與Cu2+的螯合作用加強了金納米棒的聚集排列, 導致了其吸收光譜的峰位明顯移動.

通過上述表面等離子體共振吸收實驗, 發現Cu2+對修飾谷胱甘肽的金納米棒有明顯影響, 這可能是由于Cu2+和GSH之間的配位作用引起金納米棒的取向聚集. 為了進一步驗證銅離子對金納米棒光學性質的影響, 比較了未修飾GSH的金納米棒與修飾GSH的金納米棒與Cu2+作用后的光熱轉換效應. 圖7示出了激光照射不同時間后溶液溫度的變化.實驗采用808 nm激光器對樣品進行激發. 選用這一激發波長是考慮金納米棒的表面等離子體共振吸收與光學激發之間存在共振效應, 能夠產生強烈的光響應. 圖7(B)～(D)分別對應純金納米棒、 GSH-Au NRs+0.01 mmol/L Cu2+和GSH-Au NRs+1 mmol/L Cu2+溶液在激光照射不同時間時的紅外成像照片. 由圖7(A)可見, 隨著銅離子濃度的升高, 金納米棒的溫度升高幅度減小, 光熱轉換效應下降. 這可能是由于在金納米棒與銅之間發生了電荷轉移效應, 導致金納米棒等離子體共振激發的電荷發生從金向銅的轉移. 由圖7(B)—(D)可以看出, 隨著激光照射時間延長, 系統整體溫度逐漸升高. 而且金納米棒材料在復合Cu2+后, 體系光熱轉換效應明顯下降, 更能說明Cu2+的加入對金棒納米材料光熱性質的影響.

3 結 論

制備了GSH修飾的金納米棒, 根據金納米棒材料的尺寸依賴及各向異性性質, 研究了Cu2+離子引起的金納米棒的聚集程度、 排列方式和光學吸收等的變化. 結果顯示, 在酸性條件下, GSH修飾的金納米棒加入Cu2+離子后, 其表面等離子體共振吸收光譜發生明顯紅移, 而加入其它離子未導致金納米棒的等離子體吸收峰明顯紅移. 分別利用純金納米棒和與銅離子作用的GSH修飾的金納米棒進行了光熱轉換測試, 結果表明, 純金納米棒材料具有明顯的光熱轉換效應, 但當銅離子與其作用后光熱轉換效應發生明顯下降, 表明銅離子誘導金納米棒的排布進而影響其光學特性具有選擇性, 這為實現對未知金屬的檢測提供了一種新方法.

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(Ed.: F, K, M)

Preparation of GSH-Modified Au Nanorods and Their Interaction with Copper Ions?

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.11174047, 11374046).

ZHANG Lingyue2, CHI Yanan1, SHAN Guiye1*, CHEN Yanwei1, LIU Na2

(1.SchoolofPhysics,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China;2.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun130012,China)

Au nanorods(Au NRs) modified by glutathione(GSH) were prepared. Based on the dependence of localized surface plasmon resonance(LSPR) peak shift on their arrangement, the structure and optical properties of GSH-modified Au NRs was studied at different pH conditions. At pH=5, some metal ions were chosen to detect the effect of their interaction with GSH-Au NRs on the LSPR peak of Au NRs. The results demonstrate that Cu2+can obviously induce red shift of LSPR peak comparing with other metal ions. The reason is the rearrangement of Au NRs induced by Cu2+. Meanwhile, the photothermal experiment for pure Au NRs and GSH-Au NRs with copper ions were carried out to detect the effect of copper ions on optical properties of Au NRs. Comparing with pure Au NRs, GSH-Au NRs with copper ions decreased the efficiency of phothothermal conversion. During photothermalcoversion process, copper maybe capture the electron of Au NRs and decrease the efficiency of nonirradiation. So, Au NRs modified by GSH show the selective detection for Cu2+. The results here maybe provide a new method for detection of heavy metal ions.

Au Nanorods; Glutathione(GSH); Cu2+ion; Localized surface plasmon resonance(LSPR) absorption; Inorganic nanocomposite

2016-06-06.

日期: 2016-06-30.

國家自然科學基金(批準號: 11174047, 11374046)資助.

10.7503/cjcu20160406

O614

A

聯系人簡介: 單桂曄, 女, 博士, 副教授, 主要從事功能納米材料的應用研究. E-mail: shangy229@nenu.edu.cn