光纖光譜儀實時監測膠體金生長及凝聚

李 新， 李劍君， 朱 鍵， 趙軍武

(西安交通大學 生物醫學信息工程教育部重點實驗室，生命科學與技術學院，西安 710049)

0 引 言

與塊狀物質不同，特別是金、銀納米顆粒，由于表面效應和尺寸效應，金屬納米顆粒具有獨特的光學性質[1]。當金屬納米結構表面的自由電子與入射光子在一定的頻率下發生共振時就產生了表面等離子體共振，在光譜上會出現一個吸收峰，金屬納米顆粒價電子與入射光子間的相互作用情況可以通過吸收光譜方便、快捷、有效地進行表征[2-4]。金屬納米結構的表面等離子體共振特性在很多領域有著廣泛的應用，例如：生物標記、生物醫學檢測、納米集成光子學、光催化、光譜傳感及表面增強拉曼等[5-7]。光譜技術是研究納米材料性能和結構的重要手段之一。大量研究結果表明，金屬納米結構的表面等離子體共振特性對納米顆粒的微觀狀態非常敏感，共振波長可從紫外連續調節到紅外波段，通過吸收光譜可以方便地表征納米顆粒的幾何形狀、尺寸及材料組分等[5-8]。與透射電鏡表征方法相比，光譜技術減少了實驗的操作步驟和時間，避免了貴重儀器的使用，降低了成本。測定吸光度，常規分光光度計體積大、價格昂貴、對樣品的體積要求嚴格、獲取光譜耗時長且無法實時在線監測[9]。光纖光譜儀采用模塊化設計，通過光纖的耦合技術可以很方便地搭建起由光源、樣品支架和光纖光譜儀組成的光譜測量系統，實現遠距離的光譜信號探測。光纖光譜儀價格便宜、質量輕、體積小、系統靈活、測量速度快，最重要的是可以實時在線采集光譜[10]，在各種光譜測量及相關領域引起了人們廣泛的興趣。本文利用光纖光譜儀實現膠體金生長及凝聚的實時監測，為相關的科研工作者提供了一種研究納米材料的新思路。

1 實驗原理

檸檬酸三鈉還原氯金酸法制備納米金顆粒，納米金生成的化學反應式如下：

2Au0+3(-OCOCH2)2C=O+6Cl-+3H++3CO2

檸檬酸三鈉還原法制備出的納米金表面帶負電[11]，把NaCl溶液加入到納米金膠體中，由于Na+和Cl-破壞了納米金膠體原溶液的靜電場，從而引起了納米金顆粒的凝聚，凝聚過程如圖1所示。

圖1 納米金顆粒凝聚示意圖

吸收光譜對納米顆粒的微觀狀態變化非常敏感。特征吸收峰的強度可以表示合成的納米金粒子數濃度，由朗伯比爾定律可知吸光度與生成的納米金粒子數濃度成正比。納米金顆粒的吸收峰波長在500～600 nm之間，這取決于納米金顆粒的尺寸、形貌以及周圍環境的介電性質和溫度。膠體納米金吸收譜半高寬越小，顆粒粒徑分布越均勻;半高寬越大，顆粒粒徑分布越不均勻[12]。顆粒尺寸與吸收光譜有一定的關系，隨著顆粒尺寸的增大，吸收光譜會逐漸紅移[13]。顆粒凝聚、尺寸增大以及非球狀粒子的生成，會導致吸收峰紅移[14-16]。納米顆粒的線性凝聚可以導致長波長帶縱向吸收峰的產生，隨著顆粒凝聚鏈條長度的增加，吸收光譜逐漸紅移，鏈條數目越多，吸收峰強度越強[17]。

2 材料與方法

2.1 試 劑

氯金酸(AuCl3·HCl·4H2O)(國藥集團化學試劑有限公司)；檸檬酸鈉(C6H5Na3O7·2H2O)，Aladdin Industrial Corporation；氯化鈉(NaCl)(國藥集團化學試劑有限公司)；超純水(ρ>18 MΩ·cm)(Millipore 公司超純水器制得)

2.2 儀 器

HT-7700型透射電鏡(TEM)，日本日立公司；HR4000型光纖光譜儀，美國Ocean Optics公司；GL-3250B型加熱磁力攪拌器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司。實驗用光纖光譜儀系統裝置如圖2所示。

1-光源,2-光纖,3-光具座,4-5 cm石英比色皿,5-1 cm石英比色皿,6-加熱磁力攪拌器,7-1 cm比色皿樣品架,8-光譜儀

圖2 光纖光譜儀系統裝置示意圖

2.3 膠體納米金顆粒的制備與凝聚

(1) 膠體納米金顆粒的制備。將圖2中的A處光纖放到C處，F處的光纖放到D處，用光纖光譜儀實時監測和存儲膠體納米金顆粒生長過程中的吸收光譜。在5 cm石英比色皿中加100 mL的超純水，將250 μL質量分數為1%的檸檬酸三鈉溶液加入到超純水中，開啟磁力攪拌器加熱溶液至沸騰。在沸騰后的溶液中加入250 μL質量分數為0.67%的氯金酸溶液(此時開始計時)。在反應前2 min左右，溶液顏色基本沒有變化，之后開始變藍，3 min左右變紫，6.5 min左右變紅，7 min左右突變為清亮透明的酒紅色且之后顏色保持不變，10 min時關閉磁力攪拌器，冷卻至室溫。

(2) 膠體納米金顆粒的凝聚。將圖2中的A處光纖放到B處，F處的光纖放到E處。用光纖光譜儀實時監測和存儲膠體納米金顆粒凝聚過程中的吸收光譜。在1 cm石英比色皿中加入2 mL的納米金膠體溶液，將1 mL 0.05 g/mL氯化鈉溶液加入到納米金膠體溶液中(此時開始計時)，溶液很快由酒紅色變成藍棕色。

3 結果與討論

3.1 顆粒生長過程中吸收光譜和TEM分析

在加入0.67%的氯金酸后2 min左右，溶液由無色變為藍色，在500～900 nm處沒有吸收峰。3～6.5 min左右可見光范圍表現出金納米顆粒的表面等離子體共振特征吸收，最大吸收波長在540 nm左右，吸收峰強度逐步增強但較低，表明納米金的濃度較低，半高寬很寬，暗示顆粒形貌不均勻。這一推論得到了TEM表征的進一步證實，電鏡下觀察，反應液在5 min左右時，金納米顆粒形貌不規則，部分顆粒凝聚，尺寸不均一，20 nm左右粒徑的顆粒分布最多，最小粒徑7 nm，最大粒徑38 nm。隨著反應時間的繼續延長，溶液可見光吸收繼續增強，吸收峰值繼續增大，表明納米金的粒子數濃度增大。最大吸收波長向短波方向藍移，吸收光譜半高寬變小，最后吸收峰波長穩定在522 nm左右，表明納米金顆粒的大小越來越均一且顆粒凝聚現象消除，反應完全后納米金顆粒的粒徑大小在20～30 nm之間[18]。這一推論得到了TEM表征的進一步證實，電鏡下觀察反應液在10 min時，顆粒更圓，形狀更規則，分散性較好，粒徑集中分布在13～27 nm左右，尺寸均一，粒徑25 nm左右。結果見圖3和圖4。

圖3 (a) 膠體納米金制備過程中溶液吸收光譜隨時間的變化,(b) 膠體納米金制備過程中溶液吸收峰位和峰強隨時間的變化

3.2 顆粒凝聚過程中吸收光譜和TEM分析

在加入0.05 g/mL氯化鈉溶液后，Na+和Cl-破壞了納米金膠體原溶液的靜電場，納米金顆粒重新分布，溶液很快由酒紅色變成藍棕色。在660 nm處出現了第2個吸收峰并逐漸紅移至740 nm處，表明納米金顆粒凝聚為鏈狀結構。吸收峰半高寬很寬，表明鏈條長度不均一。隨著氯化鈉加入時間的延長，第2個吸收峰逐漸紅移，表明鏈條長度逐漸變長。吸收峰強度逐漸增強，表明凝聚的顆粒數目和鏈條數目逐漸增多。電鏡下觀察納米顆粒凝聚為鏈狀結構。結果見圖5和圖6。

圖5 (a) 膠體納米金凝聚過程中溶液吸收光譜隨時間的變化,(b) 膠體納米金凝聚過程中溶液第2個吸收峰位和峰強隨時間的變化

4 結 語

檸檬酸三鈉還原氯金酸法制備納米金顆粒，用氯化鈉凝聚納米金顆粒，通過光纖光譜儀對膠體納米金顆粒生長和凝聚過程中的吸收光譜實時檢測，用透射電鏡對其形貌進行表征。結果顯示，在膠體納米金顆粒生長過程中，在500～600 nm之間逐漸出現一個吸收峰，此吸收峰隨反應時間的延長，峰強越來越強，表明納米金顆粒濃度越來越大。半高寬越來越小，吸收峰逐漸藍移，表明納米金顆粒在生長過程中形貌越來越規則、尺寸越來越均一和分散性越來越好，這一推論從透射電鏡照片得到印證。在膠體納米金顆粒凝聚過程中，在660 nm處出現了第2個吸收峰并逐漸紅移至740 nm，峰強逐漸增強，表明納米金顆粒凝聚為鏈狀結構，且鏈條長度逐漸變長，鏈條數目逐漸增多，電鏡下觀察納米顆粒凝聚為鏈狀結構。利用光纖光譜儀探測的實時吸收光譜不僅可以用來表征納米金顆粒的光學性質，其顆粒大小、形貌和分布也可以體現出來，最重要的是，實時監測把納米金顆粒微觀狀態的動態變化呈現出來，這是常規分光光度計無法比擬的。這種用光纖光譜儀研究納米金顆粒的方法同樣也能應用到其他納米材料，比如：納米棒[19]、納米星[20]和納米線[21]等。

圖6 加入氯化鈉后金溶膠的電鏡照片

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