金納米顆粒的微反應連續合成

董曉銳，王凱，駱廣生

（清華大學化學工程系，化學工程聯合國家重點實驗室，北京100084）

引 言

金納米顆粒（AuNPs）是一種重要的貴金屬納米材料，它可以分散于水中形成水溶膠，因此又被稱為膠體金（colloidal gold）[1]。溶液中的金納米顆粒表面被配體覆蓋從而免于團聚沉淀，常見配體有檸檬酸鈉（Na3Ct）[2]、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）[3]、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）[4]等。由于存在局域表面等離子體共振效應，低濃度的金納米顆粒溶液具有明顯的紫外-可見光吸收[5]，并且顆粒的粒徑越均勻其吸收峰越窄[6]。如果金納米顆粒在溶液中發生聚集，其特征吸收峰會發生紅移并且展寬[7]，因此可以利用金納米顆粒對被檢測物的光譜響應實施分析檢測[5]。此外，金納米顆粒也可被應用于超分子化學[8]、生物標記[9]、化學探針[10-11]等領域。

不同粒徑的金納米顆粒一般采用不同方法制備，如NaBH4還原法（1～10 nm）、晶種生長法（>40 nm）等[12-15]，其中15～30 nm 的金顆粒制備技術大多源于Turkevich 法[16]，其突出優勢在于產物顆粒的粒徑高度均一。該方法在水溶液中以弱還原劑檸檬酸鈉作為反應物和配體，在沸騰條件下與氯金酸（HAuCl4）反應形成單質金，以不規則形態沉淀出的金顆粒晶核再經過一定時間的奧氏熟化[17]即可轉變為窄分布的金納米顆粒。該體系在酸性環境下反應速度快，但易受到原料混合的影響，一般制得的顆粒粒徑分布較寬；相反在堿性環境下反應速度慢，通過長時間的攪拌反應有助于獲得分散因子（PDI）小于10%的金納米顆粒[18]，因此Turkevich 法一般都在堿性反應條件下進行。反應體系的酸堿性可通過Na3Ct 與HAuCl4的比例控制，也可以通過外加無機酸堿進行調節。Turkevich 法制備出的金納米顆粒表面由物理吸附的檸檬酸根離子保護，當結合能力更強的配體，如巰基化合物[19-20]存在時，檸檬酸根可以被交換下來[21]，這使得很多生物分子經巰基修飾后，可進一步與金納米顆粒結合形成功能化合物或超分子[22-23]。

由于金納米顆粒的用途廣泛，其批量制備技術是當前化學工程領域的研究熱點。以往金納米顆粒大多在攪拌釜內通過間歇反應合成，該方法存在固有局限性，例如：反應效率低、顆粒批次重復性差、制備規模難以靈活調節等。當前研究者普遍認為連續化的微反應技術是突破傳統間歇攪拌反應局限的重要手段[24-26]，而且實驗室級別的微通道反應器也十分適合快速制備金納米顆粒[27-29]，避免納米粒子大量儲存過程中穩定性不佳的問題。2005年Wagner 等[30]拉開了金納米顆粒連續合成的序幕，他們以抗壞血酸為還原劑，通過IPHT微通道反應器實現了5～50 nm 金顆粒的連續合成。該方法使用較強的還原劑快速完成反應過程，顆粒的均勻性不夠理想。對于粒徑控制能力強的Turkevich 法，相關微反應技術的報道還很少，主要原因在于該反應一般通過降低反應速率的方法控制顆粒的成核與生長，動力學上不利于微反應過程的實施，但也有少部分研究者在該方向上進行了嘗試。例如Girardon 等[31]提出了一種不銹鋼毛細管微反應器，他們通過T 型三通快速混合Na3Ct 和HAuCl4水溶液，制備出了平均粒徑<5 nm 的金顆粒。由于物料停留時間短，反應僅停留在成核階段，因此顆粒均勻性也欠佳。Gavriilidis 等提出了類似的毛細管微反應器用于實施Na3Ct和HAuCl4的水溶液反應[32-33]，通過在合成過程中引入微波照射[34]或紫外線照射[35]的方法強化顆粒的成核，在一定程度上改善了粒徑大小和分布狀況。

為了實現窄分布金納米顆粒的連續穩定制備，本文工作突破了傳統Turkevich 法的堿性反應條件，提出了一種酸性條件下合成金納米顆粒的微反應方法。該方法嘗試在高反應速率下實施HAuCl4的還原反應，利用螺紋管微混合器強化反應物混合，保障成核環境的均勻性，引入惰性溶劑避免顆粒在反應器內沉積，在連續流的條件下完成納米顆粒的成核、生長、熟化過程，利用膜分相裝置對溶劑進行連續回收，實現金納米顆粒的連續穩定合成。圍繞該方法本文重點介紹了微反應器的設計依據，系統展示了反應物摩爾比、濃度、停留時間、水油體積比、pH等因素對于顆粒粒徑分布和吸收光譜的影響規律。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

實驗使用的三水合氯金酸（98%）來自Sigma-Aldrich，二水合檸檬酸鈉（分析純）、氫氧化鈉（分析純）來自國藥集團化學試劑有限公司，正癸烷（色譜純）來自阿拉丁生化科技股份有限公司，去離子水由The Lab 超純水系統制備，電導率為18.2 mΩ。所有藥品在實驗中未進行進一步純化。

1.2 裝置和運行

圖1 金納米顆粒微反應連續合成實驗平臺Fig.1 Experimental platform for the microreaction continuous synthesis of gold nanoparticles

1.3 分析檢測

實驗所獲得的水相反應產物通過紫外-可見光譜儀（UV2450，Shimadzu Co.,Ltd.）測量吸收光譜，通過 激 光 光 散 射 儀（BI-90Plus，Brookhaven Instruments）測量溶液中金納米顆粒的中值粒徑（d50）和分散因子（PDI）。使用離心超濾管（Ultracel-50K，Merck Millipore）濃縮顆粒溶液，并在濃縮過程中使用去離子水洗滌產物顆粒2 次，最終將所獲得的顆粒轉移至微柵，通過透射電鏡（JEM-2010，JEOL）觀察顆粒的形貌和分散狀態。

2 實驗結果與討論

2.1 單相反應體系的金納米顆粒連續制備

圖2 Na3Ct/HAuCl4摩爾比對金顆粒特征吸收峰的影響和窄分布金顆粒的透射電鏡照片Fig.2 Effect of Na3Ct/HAuCl4 molar ratio on the characteristic absorption peak of Au particles and the TEM images of narrowdistributed Au particles

表1 反應體系pH和顆粒粒徑分布結果Table 1 pH of the reaction system and particle size distribution results

在明確了反應的基本條件后，為了提升金納米顆粒產量，嘗試開展小時級連續微反應合成實驗，結果發現金納米顆粒的制備過程存在顆粒在反應器內壁吸附的問題。如圖4所示，利用Na3Ct/HAuCl4摩爾比等于3 的實驗條件開展連續合成研究，當微反應器工作時間達到2 h 時，產物溶液顏色明顯變淺，3 h 后溶液的最大吸光度降低至初始值的1/4。取出水浴中的反應盤管，發現其顏色由透明變為紫紅（圖4 中照片），部分區域更顯示出伴有金屬光澤的黑色，說明有大量金顆粒沉積在反應管道上。產生顆粒吸附現象的原因一方面來源于95℃的高溫反應環境下檸檬酸鈉與金顆粒的結合力較弱，配體保護作用被削弱的金顆粒疏水性增強，易與疏水的反應器表面相結合；另一方面單相流反應器管壁附近流速低，顆粒停留時間長，容易在奧氏熟化的作用下進一步生長并且在管道表面發生沉降。因此，需進一步通過引入惰性溶劑隔絕納米顆粒水溶液和輸水反應管道，實現微反應器的長時間穩定運行。

表2 不同反應物濃度實驗的顆粒粒徑分布Table 2 Particle size distribution in experiments with different reactant concentrations

2.2 兩相反應體系的金納米顆粒連續制備

為了解決金納米顆粒在反應器內的吸附問題，進一步啟用了圖1所示的液液兩相微反應系統。從圖1(b)所示的PFA 毛細管內兩相流照片可以看出，在疏水毛細管內部水相以液滴形式存在，因此在反應液滴和反應器管道之間存在一層有機相薄膜[38]，該薄膜有效阻止了金顆粒接觸反應管道壁面。實驗結果表明：經過20 h 的連續合成實驗，反應管道上仍然沒有任何顆粒吸附沉積現象的發生。

圖5對比了相同實驗體系單相和兩相反應產物溶液的吸收光譜曲線。為了對比顆粒的細微差別，對該曲線也采取歸一化處理并使用式(1)定義的特征半峰寬Wλ定量比較特征吸收峰的分布情況。

圖3 HAuCl4和Na3Ct濃度對金顆粒特征吸收峰的影響(實驗條件：=200μl·min-1，τ=9.8 min =3.5)Fig.3 Effect of HAuCl4 and Na3Ct concentrations on the characteristic absorption peak of Au particles

圖4 單相流體系連續微反應合成實驗(實驗條件==400μl·min-1，=0.5 mmol·L-1=3.0，τ=4.9 min)Fig.4 Continuous microreaction synthesis experiment in single-phase flow system

圖5 單相與兩相反應代表性產物顆粒的吸收光譜對比（實驗條件=0.5 mmol·L-1=3.0，τ=4.9 min，單相反應=400μl·min-1；兩相反應=300μl·min-1，=200μl·min-1）Fig.5 Comparison of absorption spectra of representative product particles of single-phase and two-phase reactions

針對兩相反應在顆粒粒徑分布上的不足，進一步優化反應條件以獲得特征吸收峰型更優的金納米顆粒。文獻結果表明Turkevich 法制備的金納米顆?？山涍^一段時間的奧氏熟化變得更為均勻[18]，因此嘗試通過降低流速延長微反應器內的停留時間改善顆粒的分布狀態，結果如圖6(a)所示。隨著反應停留時間從4.9 min 延長至11.8 min 顆粒的特征吸收峰明顯變窄，特征半峰寬Wλ由96 nm 下降至77 nm，說明進行適當的奧氏熟化可以獲得粒徑更均勻的金顆粒。實驗結果還表明停留時間9.8 min和11.8 min 的實驗結果基本無差別，說明反應10 min 后奧氏熟化的作用不再明顯?？紤]到惰性溶劑并不參與反應過程，大量使用雖然可以更好地分割水相液滴，但是會占用反應器體系，影響物料處理量，因此嘗試優化其用量，結果如圖6(b)所示。實驗結果表明：水油體積比從1∶1 到7∶1 都能起到隔絕水相和反應器壁面的效果，產物水溶液特征吸收峰半峰寬介于82～89 nm 之間。當水油體積比為8∶1時，過于懸殊的體積比導致水相液柱在反應管道內容易發生聚并，此時反應器內流動變得不穩定，實驗不能穩定進行，也無法采集穩定的產物溶液。此外，實驗還考察了反應體系pH 的微小調整對于粒徑分布的影響。通過向Na3Ct 溶液中添加少量NaOH 改變反應體系的pH 進行實驗，圖6(c)所示的實驗結果表明：在pH=6.2～6.6 的酸性范圍內，所制備的金顆粒直徑基本無差別，相應顆粒的特征吸收峰半峰寬在70～72 nm 之間，略優于圖5 所示的單相體系反應結果。圖7展示了獲得的部分代表性顆粒的透射電鏡照片，該實驗在相對優化的實驗條件下獲得了分散因子小于10%的窄分布金納米顆粒。

圖6 不同反應條件對金納米顆粒特征吸收峰的影響Fig.6 The influences of different reaction conditions on the characteristic absorption peaks of Au nanoparticles

圖7 代表性產物顆粒的透射電鏡照片Fig.7 TEM images of representative product particles

3 結 論

本文介紹了一種通過微反應系統合成窄粒徑分布金納米顆粒的方法。不同于常規間歇合成過程所使用的堿性Turkevich 反應體系，該方法使用酸性Turkevich 反應體系在高反應速率下實現了金納米顆粒的連續穩定合成。所使用的微反應系統通過螺紋管混合器強化物料的快速均勻混合，引入正癸烷作為惰性溶劑防止納米顆粒在反應器內吸附沉積，利用膜分離器實施在線油水分離實現溶劑的在線回收。研究結果表明：在95℃下，pH=5.6～6.6，HAuCl4濃度為0.5～1.0 mmol·L-1，Na3Ct/HAuCl4的摩爾比為3.0～3.5，反應體系的水油體積比≤7是較為優化的操作條件，在此條件下反應物經歷4.9～9.8 min的停留時間即可完成金納米顆粒的成核、生長、熟化過程，所制備的金納米顆粒中值粒徑為20～24 nm，分散因子小于10%。