種子生長法聚合金納米棒的優化條件研究

李家萌，曹穎，孔玉芳，廉曉麗，楊毅梅

（大理大學基礎醫學院，云南大理671000）

種子生長法聚合金納米棒的優化條件研究

李家萌，曹穎，孔玉芳，廉曉麗，楊毅梅*

（大理大學基礎醫學院，云南大理671000）

目的：利用種子生長法制備金納米棒，探索最佳制備條件。方法：通過對種子生長法中增長媒質的不同成分濃度比例及生長溫度的控制聚合成形貌特征不同的金納米棒，并利用紫外分光光度計進行測定。結果：通過對GNRs在制備過程中還原劑、活性劑、溫度等條件的優化，發現在增長媒質中CTAB的最佳濃度為0.095 mol∕L，AA的最佳濃度為0.640 mmol∕L，AgNO3的最佳濃度為72 mmol∕L，種子的最佳生長溫度為28°C。結論：本實驗系統研究了金納米棒聚合過程中的生長機理和最佳實驗條件，合成了具有所需的光學性質的金納米棒。

金納米棒；生長機理；優化

納米技術（Nanotechnology）是指利用單個原子或分子制造物質，并研究物質結構在0.1至100納米范圍內的性質和應用，已經成為21世紀的關鍵技術之一〔1-2〕。金納米棒（Gold Nanoparticles，GNRs）以其優良性質以及合成簡單、成本低等優點使其在生物標記、醫學檢驗、生物醫學等領域的研究已經成為學者們的研究熱點〔3-4〕。

貴金屬納米結構的光學生物傳感器是基于局部表面等離子共振（surface plasmon resonance，SPR）的現象〔5〕，即納米SPR。納米金作為一種研究最早的貴金屬納米材料，是指有一定的金原子數的八面體構造的結構，只有幾納米大小的顆粒，納米金顆粒直徑小、比表面積大，因此單位面積可以連接數量很多的生物分子，利用表面增強拉曼散射（surface-enhanced Ramanscattering，SERS）效應起到信號放大的作用〔6〕，且標記了納米金的生物活性分子的結合性質也得到了很大的提高，在生物學應用中表現出特殊的吸引力。金納米棒有兩個等離子共振（SPR）吸收帶：橫向SPR和縱向SPR吸收峰，其中縱向等離子體吸收峰的位置可以隨其長徑比的增大而逐漸紅移，金納米棒SPR的這種可調性使其能作為很好的SERS基底，因為按照SERS的電磁場增強機制，當激發光和SPR共振時，可以最大程度提高單個納米顆粒的增強功能。

金納米棒合成的有效調控直接決定著其后續應用研究的效果，種子介導的生長法合成金納米棒主要包括兩步〔7〕：（1）利用NaBH4還原HAuCl4溶液，制備小粒徑3.5 nm左右的球形金納米顆粒種子。（2）將種子制劑加入增長媒質，讓小粒徑的金納米顆粒在棒膠束溶液生長成棒狀。種子生長法將金納米顆粒成核過程與金棒生長過程分步進行，從而使產物的產率及金粒子轉化率都優于成核與生長同步進行的模板法所制備的產物。金納米棒球狀較球狀其長度有明顯優勢，縱向金納米粒子吸收峰調諧是由其大小和異質的形狀決定，種子生長法可以通過優化還原劑、溶劑等不同成分的比例控制以及溫度、生長時間等條件是生長后的納米金顆粒的粒徑通過各種條件的改變得以控制，提高金納米棒反應體系的反應速率和生長速率，合成具有所需性質的金納米棒，最大程度提高單個納米顆粒的生物功能。本研究通過GNRs的縱向SPR吸收峰的長徑與紅移成正比的特點優化反應條件，最大程度提高單個金納米顆粒生物功能，著重于高通量的探索。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器氯金酸（HAuCl4）、溴化十六烷基三甲基銨（CTAB）、硝酸銀（AgNO3）、硼氫化鈉（NaBH4）和抗壞血酸（AA）來自生工生物工程（上海）股份有限公司，均為國產分析純試劑；試驗用水均為Millipore公司（18.25 MΩ.cm@25℃，TOC：1～3 ppb）的超純水儀制備的超純水。

TU-1901型紫外可見分光光度計（上海MAPADA公司）測定GNRs反應溶液的UV-vis光譜，A值設置在0～2，波長范圍設置在400～900 nm；JJ-BC電子分子天平、隔水式恒溫培養箱（生工生物工程（上海）股份有限公司）。

1.2 試驗步驟

1.2.1 配置種子制劑混合HAuCl4（0.1 mol∕L，140 μL）和6.86 mL純水制備2 mmol∕L的HAuCl4溶液，新鮮制備NaBH4（0.01 mol∕L）低溫保存5～10 min。混合的HAuCl4（2 mmol∕L，625μL）、CTAB（0.2 mol∕L，1.88 mL）、1.37 mL純水，攪拌1 min，將450μL低溫的NaBH4加入步驟3混合液，快速攪拌2 min，溶液顏色變為棕黃色，存放入28°C下2 h。

1.2.2 GNRs的制備以CTAB為變量的增長媒質：分別將含0.00、0.06、0.10、0.14、0.18、0.20、0.22、0.24 mol∕L的CTAB（11.875 mL）的8個玻璃瓶加入純水（7.71 mL），再加入HAuCl4（2 mmol∕L，5 mL）溶液變為深黃色，最后每個玻璃瓶依次加入AgNO3（0.01 mol∕L，150μL）、AA（0.1 mol∕L，160μL）得到無色透明的增長媒質。以AgNO3為變量的增長媒質配置：在8個玻璃瓶中分別混合CTAB（0.2 mol∕L，11.875 mL）、純水（7.71 mL）、HAuCl4（2 mmol∕L、5 mL）溶液變為深黃色，分別加入0.000、0.002、0.004、0.006、0.008、0.010、0.012、0.014 mol∕L的AgNO3（150μL）于8個玻璃瓶中，最后將AA（0.1 mol∕L，160μL）分別加入玻璃瓶中得到無色透明的增長媒質。以AA為變量的增長媒質配置：在8個玻璃瓶中分別混合CTAB（0.2 mol∕L，11.875 mL）、純水（7.71 mL）、HAuCl4（2 mmol∕L、5 mL）溶液變為深黃色，依次加入AgNO3（0.01 mol∕L，150μL），最后分別將0.00、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1、0.12、0.14 mol∕L的AA（160μL）加入8個玻璃瓶中得到無色透明的增長媒質。

1.2.3 金棒合成加108μL種子溶液于25 mL增長媒質中，混合均勻，在28℃中孵育12 h，最終得到深紫色GNRs溶液。

1.2.4 容器清洗所有定量容器及反應容器用清水沖洗后，放入王水中浸泡過夜取出，用純水反復沖洗5遍以上。

2 實驗結果與討論

2.1 單因素控制對GNRs合成的影響

2.1.1 CTAB用量在GNRs合成中的影響在含有CTAB的種子溶液中，HAuCl4包裹在CTAB中，還原劑通過還原反應將離子還原成緊密的結合在CTAB膠束上。在富含電子的金種子表面AuⅠ通過電子轉移發生還原反應形成單質金Au0。見圖1。

圖1 金納米棒形成示意圖

在含有CTAB的增長媒質中，CTAB雙份子層表面吸附著金納米棒，第一層中的CTAB首基面向金表面，與金納米棒頂端的晶面相比，CTAB首基優先結合在側面上〔8〕。同時，由于金納米棒頂端曲率較大，因此相對于側面而言，金納米棒更傾向于沿著兩端方向生長，從而形成長度更長、縱橫徑比更大的金納米棒〔9〕。

封三圖1為在不同CTAB濃度情況下合成GNRs的顏色變化圖。在加入濃度為0.00 mol∕L的CTAB時，光譜掃描曲線為一個接近平直的曲線，沒有GNRs的橫向或縱向表面等離子共振吸收峰（TSPR或LSPR）。當將增長媒質中加入濃度為0.06 mol∕L的CTAB的時候，GNRs的TSPR波長在531 nm，LSPR波長在687 nm。此時GNRs的縱橫徑比較小，且在反應體系中會存在球形、梭形等不規則的雜質。但隨著CTAB濃度的增加，GNRs的LSPR峰逐漸紅移，由此可知GNRs的縱橫徑比也在不斷增加。TSPR峰未發生變化始終保持在531 nm。當加入的CTAB的濃度達到0.2 mol∕L（在增長媒質中濃度為0.095 mol∕L）的時候，其LSPR的波長為778 nm，達到最大值。但GNRs的LSPR峰波長并不是一直呈增加趨勢的，此后將CTAB的濃度增加到0.22 mol∕L和0.24 mol∕L的時候，其LSPR的波長并沒有呈增長趨勢，LSPR的波長降到為772 nm。見圖2。同時由圖3可以看出，隨著CTAB濃度的升高，GNRs的縱橫吸光度值比也在不斷增加，說明體系中GNRs的產率也在不斷升高。當CTAB的濃度到達一定量，吸光度值比不再增加，這是由于生長溶液的粘稠度過大，對Ag+的吸附產生不利影響，也不利于Au的沉積，從而使GNRs的產率不再升高。

圖2 GNRs的Vis-NIR吸收光譜圖

圖3 不同CTAB濃度條件下制備的GNRs的縱橫吸光度值比

2.1.2 AA的用量在GNRs合成中的影響在納米金的制備過程中還原劑占有重要的因素，硼氫化鈉、檸檬酸鈉、抗壞血酸等都是比較常見的還原劑〔10-12〕，但因其各自的特點不同在金納米棒制備的過程中，我們選擇的還原劑又有所不同。在增長媒質中通常選用弱的還原劑，檸檬酸鈉、抗壞血酸都為較弱的還原劑，但檸檬酸鈉在還原過程中由于其弱還原性和穩定劑的作用，聚合縱橫徑比較大的GNRs在常溫下很難進行反應，給實驗條件的創造帶來很大的障礙。抗壞血酸（AA）也是較弱的還原劑，不能將Au3+直接還原Au以合成GNRs，因此在實驗中，AA不被用于種子溶液中對金離子的還原反應，而用于增長媒質中在金棒生長過程中，并制備徑粒可控和形貌可控的金納米棒。見圖4。

圖4 硼氫化鈉、抗壞血酸、檸檬酸鈉的分子結構式

封三圖2是在不同AA濃度情況下合成的GNRs顏色變化圖。在加入濃度為0.00 mol∕L的AA時，光譜掃描曲線為一個接近平直的曲線，沒有GNRs的TSPR或LSPR。當將增長媒質中加入濃度是0.06 mol∕L的AA的時候，GNRs的TSPR波長在531 nm，LSPR波長在706 nm隨著AA濃度的增加，GNRs的LSPR峰逐漸紅移，由此可知GNRs的縱橫徑比也在不斷增加。TSPR峰未發生變化始終保持在531 nm。當加入的AA的濃度達到0.10 mol∕L（在增長媒質中濃度為0.640 mmol∕L）的時候，其LSPR的波長為782 nm，達到最大值。但GNRs的LSPR峰波長并不是一直呈增加趨勢的，將AA的濃度增加到0.12 mol∕L后，其LSPR的波長并沒有呈增長趨勢，LSPR的波長降到為761 nm。此后再增加增長媒質中AA濃度時，其LSPR峰有繼續減小趨勢。LSPR的這種大幅度藍移是由于隨著生長溶液中AA的濃度不斷升高，同時在同樣時間也加快了HAuCl4中金離子被還原的速率，被還原出的Au+在體系中快速的沉積，其沉積速率明顯高于了CTAB在晶種表面對Au+吸附的速率，從而導致了大量的金離子的沉積，生長出來的GNRs較短，從而出現LSPR出現大幅度藍移。見圖5。

由圖6可以看出，隨著AA濃度的升高，GNRs的縱橫吸光度值比也出現了一個升高的過程，說明體系中GNRs的產率也在不斷升高。當AA的濃度到達0.10 mol∕L的時候，吸光度值比達到最大。之后再增加AA的濃度，吸光度值比反而呈現一個下降趨勢。由于AA的升高生長液中Au+的沉降速度與吸附速度不成正比，GNRs生長的短而粗，呈短啞鈴狀，從而也導致GNRs的產率也下降。

圖5 GNRs的Vis-NIR吸收光譜圖

圖6 不同AA濃度條件下制備的GNRs的縱橫吸光度值比

2.1.3 AgNO3的用量在GNRs合成中的影響AgNO3

在GNRs的制備的反應過程中對提高金棒的產出率和縱橫徑比的控制起著重要的作用。在有AgNO3存在的種子介導的生長法合成金納米棒的過程中，種子在加入增長媒質的生長過程中，抗壞血酸對Ag+的還原反應首先進行，將Ag+還原成五邊形Ag孿晶納米結構。Ag把Au+還原成Au0，輔助Au進行單向性生長，其還原反應過程為：，CTAB活性劑雙層將金納米棒側面包裹，從而使金納米棒在增長媒質中獲得穩定的單向性生長。如果增長媒質中沒有AgNO3加入則不能得到縱橫徑比較大的GNRs，因此Ag+在GNRs的聚合過程中起著至關重要的作用。見圖7。

圖7 有AgNO3存在的金納米棒制備機理

在最優的CTAB與AA濃度的條件下，對比了AgNO3加入的濃度對GNRs制備的影響，并探討制備GNRs的最佳AgNO3濃度。封三圖3是在不同AgNO3濃度情況下合成的GNRs的顏色變化圖。在加入濃度為0.000 mol∕L的AgNO3時，光譜掃描曲線發現只有GNRs的橫向表面等離子共振吸收峰，說明種子溶液在增長媒質中并沒有得到生長。當將增長媒質中加入濃度是0.002 mol∕L的AA的時候，GNRs的TSPR波長在531 nm，LSPR波長在737 nm隨著AgNO3濃度的增加，GNRs的LSPR峰逐漸紅移，由此可知GNRs的縱橫徑比也在不斷增加。TSPR峰未發生變化始終保持在531 nm。當加入的的AgNO3濃度達到0.012 mol∕L（在增長媒質中濃度為72 mmol∕L）的時候，其LSPR的波長為785 nm，達到最大值。但GNRs的LSPR峰波長并不是一直呈增加趨勢的，將AgNO3的濃度增加到0.014 mol∕L后，其LSPR的波長并沒有呈增長趨勢，LSPR的波長降到為774 nm。見圖8。由圖9可以看出，隨著AgNO3濃度的升高，GNRs的縱橫吸光度值比也在不斷增加，說明體系中GNRs的產率也在不斷升高。當AgNO3的濃度到達一定量，吸光度值比不再增加，并有略微的下降。

圖8 GNRs的Vis-NIR吸收光譜圖

圖9 不同AgNO3濃度條件下制備的GNRs的縱橫吸光度值比

2.2 溫度對GNRs聚合的影響金納米棒的聚合是還原劑對金離子的還原反應和種子溶液在增長媒質中生長的一系列化學反應協同進行的結果，但GNRs的聚合也受體系的熱力學性質和環境的動力學過程的影響，而制備高產出率和高縱橫徑比的GNRs也必須兼顧在制備過程中的化學反應因素和物理因素〔15〕。溫度作為GNRs聚合的物理因素，也對GNRs聚合起著至關重要的作用。通過上述實驗結果，選取最佳反應條件CTAB（0.2 mol∕L，11.875 mL）、AgNO3（0.012 mol∕L，150μL）、AA（0.1 mol∕L，160μL）制備4瓶相同的增長媒質，分別加入108μL種子液，將4個反應體系分別放入25、28、38、48°C將種子進行生長。

圖10是在不同溫度情況下合成的GNRs的Vis-NIR吸收光譜圖。當種子生長溫度在25°C的時候，GNRs的TSPR波長為507 nm，LSPR波長為775 nm，其A值為1.402。當溫度增加到28°C時，GNRs的LSPR峰紅移明顯為783 nm，GNRs的縱橫徑比也在不斷增加，相比于25°C是A值也有所升高為1.531，A的升高說明金納米棒的產出率也相對升高。當升種子的生長溫度達到38°C的時候，其LSPR的波長還是相對也28°C時有所減少為777 nm，但A達到最大值為1.501。最后將種子升高溫度達到48°C的時候，GNRs的LSPR峰波長繼續呈減小趨勢的，A值也有所減少。

圖10 GNRs的Vis-NIR吸收光譜圖

3 結論

本實驗采用種子介導的生長法成功聚合了不同長徑比、不同產出率形貌不同的GNRs。探討了生長溶液中活性劑CTAB、還原劑AA、AgNO3用量以及種子生長溫度、生長時間對制備不同長徑比GNRs的影響，同時利用多種方法對所制備的GNRs進行分析，優化了制備高長徑比金納米棒的最佳實驗條件。但在金納米棒制備的過程中，仍存在整體產率，純度不高，金棒生長受溫度、濕度等環境條件影響較大等問題，值得進一步去探究。我們已經對金納米棒的制備生長機理和反應條件有了初步的掌握，可最大程度的制備所需光學性質的金納米棒，為納米金在生物標記、醫學檢驗、生物醫學等領域的研究和應用奠定了更好的基礎。

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Optimum Conditions of Gold Nanorods Preparation by Seed-Mediated Growth Method

Li Jiameng,Cao Ying,Kong Yufang,Lian Xiaoli,Yang Yimei*
（Pre-clinical College,Dali Universily,Dali,Yunnan 671000,China）

Objective:To explore gold Nanorods preparation with best conditions by seed-mediated growth method.Methods:To synthesize different morphological characteristics of gold Nanoparticles by controlling the concentration ratio of different compositions and the growth temperature,and the synthesized gold Nanoparticles were characterized by UV-vis spectroscopy.Results:By optimizing the reducing agent,surfactant,and temperature,etc，the best concentration of CTAB was 0.095 mol∕L，of AA was 0.640 mmol∕L，and of AgNO3was 72 mmol∕L.The besttemperature was 28°C.Conclusion:The gold Nanoparticles growth mechanism in the process of polymerization and the best experimental conditions were studied，and the optical properties of GNRs were successfully prepared.

gold Nanoparticles;growth mechanism;optimize

O6

A

2096-2266（2017）06-0049-06

10.3969∕j.issn.2096-2266.2017.06.012

（責任編輯李楊）

國家自然科學基金資助項目（81460316）

2017-01-04

2017-04-20

李家萌，碩士研究生，主要從事分子生物學研究.

*通信作者：楊毅梅，教授.