CN101458242A - 对重金属离子响应的金纳米溶胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对重金属离子响应的金纳米溶胶及其制备方法，溶胶中的金纳米粒子是组装有L－半胱氨酸配体的金纳米粒子，溶胶中L－半胱氨酸与金纳米粒子的摩尔比为1∶0.5～4，金纳米粒子的粒径为5～15nm。本发明采用L－半胱氨酸作为配体的金纳米粒子，保存期长、对重金属离子响应性好，适用于重金属离子检测领域；本发明提供的金纳米溶胶的制备方法工艺简单，制造成本低。

Description

对重金属离子响应的金纳米溶胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金纳米材料，尤其涉及一种在重金属离子检测方面具有广泛应用前景的金纳米溶胶及其制备方法。

背景技术

金纳米粒子具有优良的稳定性和独特的光学、电学性质，在许多领域表现出潜在的应用价值。金属和半导体材料在其尺寸减小到纳米级别时，会出现“量子尺寸效应”而表现出特异的光学、电子学性质，因而在光电子器件、传感器等领域具有广阔的应用前景，以金属和半导体纳米粒子作为结构单元的自组装功能薄膜的制备与表征也因此成为材料研究的重要课题。特别是金纳米粒子，由于具有独特的光学与电子学性能以及在光电子学、传感器、催化、生物医学等领域中的重要应用价值，对该课题的深入研究可以丰富纳米技术的理论，而且有望开发出新的性能优异的，可用于各种离子探测的光学器件，这些光学器件可以广泛应用于环境监控、化工过程监控等领域。例如：1)金纳米粒子可以做催化剂用，虽然大块的金不具有催化能力，但在纳米级别时则具有良好的催化能力，特别是对CO催化生成CO₂的研究，Au⁰/S催化剂很可能作为CO防毒面具的关键部件，它可以有效的除去被污染大气中的CO；2)在生物分析中，金纳米粒子已用于DNA检测以及免疫检测等。由于DNA检测在基因测序、临床诊断(如各型肝炎、肺癌、性传播疾病，包含HIV的诊断等)、环境监测、生物制药以及蛋白质的研究等方面具有重要的应用价值。

金纳米粒子的研究相当活跃，研究的方向也是多种多样，这里，我们就两个方面展开论述：国内外研究现状和采用硫醇保护金纳米粒子的最新情况。

1857年，Faraday报道了深红色金胶体溶液的合成。这项工作很有名气，他采用磷在CS₂(一个两相体系)中还原氯金酸水溶液中的AuCl₄ ^-。他用干燥胶体溶液的方法制备了薄膜，研究了其光学性质，并且观察到当施加一定的机械压力时有可逆的光学变化(施压后从蓝紫色变成绿色)。这项工作可看作是金纳米粒子研究的开始。

随后，Schmid等人在金微粒的团簇结构研究中取得了开创性的研究成果，他们认为金微粒的团簇结构中的金原子数目和被包围原子的密度有关，并给出了团簇结构中原子数的计算公式：10×n2+2。按此公式：一个金原子(中心原子Au)周围应该被12个原子包围，即：第一层团簇中，金原子的数为10×12+2＝12，第n层团簇中金原子数为10×n2+2。因此，在金微米团簇中，最小的团簇包括了13个原子(1+12)，第二层有42原子(10×22+2)，在有两层结构的金微粒团簇中，原子数为：1+12+42，即55个原子。1981年，Schmid等实验结果显示：化合物[Au₅₅(PPh₃)₁₂Cl₆]确实存在，该化合物具有窄的尺寸分散度(1.4±0.4nm)，该化合物被广泛应用于研究纳米材料的量子点效应。

1973年，Frens制备了尺寸在16-147nm之间的金纳米粒子。方法如下：将150mL 0.01％(m/V)的HAuCl₄水溶液加热至沸腾，在剧烈搅拌下迅速加入5.25mL 1％(m/V)柠檬酸钠水溶液，保持沸腾状态反应15min后关闭热源，继续搅拌至室温。这种方法在所见的文献中很被普遍应用，原因在于合成方法简单、可靠，便于操作。以这个反应为基础，研究者做了大量的工作。

1994年，Brust-Schiffrin报道了用烷基硫醇对金纳米进行稳定化的金纳米粒子的合成方法，最近十年中，他们的方法引起人们的极大关注。他们首次提供了在常温下和空气条件下，使金纳米体系稳定的方便的合成方法，该方法不仅可以降低尺寸分散度而且可以对尺寸大小进行有效控制(其直径范围在1.5和5.2nm之间)。事实上，这些金纳米在常规的有机溶剂中能反复的离析和再溶解，而不是不可逆转的聚集或者分解，而且它们可以像稳定的有机体和分子化合物那样，很容易的处理并功能化。

在金纳米合成领域，另一个突破是Faraday创立的两相合成体系，他们用硫醇作配体，利用Au和S之间易于结合成键的性质，使得硫醇与金粒子形成强烈的结合，他们采用四辛基溴化铵(tetraoctylammonium bromide)作为相转移剂把AuCl₄ ^-被迁移到甲苯中，在十二烷基硫醇存在下，用NaBH₄进行还原制备金纳米。TEM结果显示，所制备的金纳米粒子的直径在1-3nm范围，其中大部分粒子的尺寸分布在2.0-2.5nm之间；研究显示：硫醇/金的摩尔比越大，所得到的金纳米粒子的平均尺寸越小；还原剂加入的速度越快、溶液温度越低，粒子的尺寸越小越均匀；通过对反应体系进行淬火处理，迅速进行还原的方法，或者是采用空间上体积大的配体，可以得到更多的小尺寸的金纳米粒子(d≤2nm)。Brust等基于Faraday的合成方法，在单相体系中采用p-mercaptophenol(p-苯酚硫醇)来稳定金纳米粒子，打开了一条可以用多种多样硫醇功能配体合成金纳米的途径。随后，许多发表的文章描述了运用Brust-Schiffrin的方法来合成其它稳定的金纳米，有时，也有人把它们称之为单层保护的团簇(MPCs)，其中包含了功能性硫醇。

近年来，利用纳米粒子作为基本单元制备各种纳米复合结构的研究引起了人们的浓厚兴趣。美国宾西法尼亚州立大学的Natan等和依阿华州立大学的Cotton等将硅基表面(玻璃或石英)进行硅烷化处理，从而形成一层末端带有功能基团(氨基或巯基)的高分子膜，然后通过这些基团与金或银纳米粒子之间的化学吸附作用使它们得以固定。这样构造出的二维组装体系可以作为一种较为理想的表面增强喇曼光谱(SERS)的活性基底。可以认为这样的体系具有粒子尺寸、间距都可控的优点，可以为表面增强与基底微结构相互关联的研究提供一个比较理想的模型。

其它的合成方法：1)相转移法：利用离子液体研究金纳米粒子和金纳米棒的水相-有机相转移。这项工作是最近发表的。可以采用离子液体作为介质，而不使用硫醇类或胺类物质处理，可将金纳米粒子从水相转移到有机相。采用这种相转移过程，金纳米粒子的尺寸和形状得以保留。这项工作的重要意义在于：它提供了一个相对简单的方法，在水相中可以采用简单的方法来制备要求的金纳米粒子，在这以后，在离子液体中可得到大小和外形不同的金纳米粒子。.其中要加入阳离子表面活性剂，溴化十四烷基三甲铵(TTAB；大约30mM)，到水相中来减少沉淀问题，其原因在于TTAB也可以从水相转移到离子液体相，以防止离子液体相中的AuNPs的聚集。

2)晶种生长法：这种方法是以小的纳米粒为晶种，合成大纳米粒的方法。Natan首先探讨了这种方法。先用柠檬酸钠还原HAuCl₄制得粒径为50±5nm，长短轴之比为1.1的水相金溶胶。以此金溶胶为晶种，加入适量的HAuCl₄及羟胺，利用金纳米粒子表面的自催化反应使晶种逐渐长大。通过控制适当的条件，可以制得粒径在50～110nm之间的各种金纳米粒子。由于大粒径的金溶胶易聚沉，反应完毕后需加入适量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为胶体稳定剂。朱梓华等在Natan反应的基础上，进一步扩大了粒径范围，制得了粒径为60～160nm的一系列单分散金纳米粒子水溶胶。

3)反胶束法(本法亦称微乳液法)：反胶团是指表面活性剂溶解在有机溶剂中，当浓度超过临界胶束浓度(CMC)后形成亲水极性头向内、疏水有机链向外的液体颗粒结构，其内核可增溶水分子或亲水物质。微乳液一般由4种组分组成，即表面活性剂、助表面活性剂(一般为脂肪醇)、有机溶剂(一般为烷烃或环烷烃)和水。它是一种热力学稳定体系，可以合成大小均匀、粒径在10～20nm左右的液滴。微乳液的组成确定以后，液滴的粒径保持定值。Esumi报道了在2-乙烯基吡啶调聚物的存在下，在水中用NaBH₄还原HAuCl₄制得金纳米粒子。

国内研究现状：北京大学的刘忠范等对金纳米有深入的研究。朱梓华，朱涛，刘忠范等人利用纳米粒子组装技术制备出金基底/巯基苯胺自组装膜偶联层/金纳米粒子的“三明治”结构。实验结果显示，该结构对偶联层分子的喇曼光谱显示出很好的增强效应，增强因子可达105，高增强因子出现的原因是体系中存在化学增强效应以及纳米粒子与金基底之间的电磁偶合作用，初步解释了喇曼强度随粒子密度的变化规律。曹林有，朱涛，刘忠范等人研究发现，采用羟基晶种法制备金纳米粒子时，反应试剂的比例以及试剂的加样顺序对非球形粒子的产生有明显的影响。羟胺与氯金酸的摩尔比例较高时能够抑制非球形粒子的生成，较低时则生成较多的非球形粒子；不同的加样顺序使得加样过程中也可以导致产物中非球形粒子含量的差异。蒋治良，冯忠伟，李廷盛等人采用Frens的方法制备了粒径为10-95nm的金纳米粒子，它们均在580nm处产生一个共振散射峰，从液相纳米粒子的波动观点出发，解释了金纳米粒子共振散射光谱产生的原因，用超分子界面能带理论解释了金纳米粒子的颜色与粒径的关系。原弘，刘小玲等人采用氯金酸直接还原法制备胶体金的改进方法，获得了粒径在5-14nm的金纳米颗粒，结合表面活性剂的两亲性和纳米微粒本身的高比表面积引起的金粒子电荷表面分布变化，探讨了两亲分子有序组合体在纳米合成中的作用，研究表明，十二烷基硫酸钠在纳米颗粒形成过程中，起到了稳定剂和分散剂的作用，阻止了纳米金的进一步团聚，使金粒子的粒径分散比较均匀，尺度可控。周学华，李津如，刘春艳等人采用反胶束的方法，制备了C₁₀NH₂，C₁₂NH₂，C₁₆NH₂，C₁₈NH₂不同链长脂肪胺修饰的金纳米颗粒；实验表明，表面活性剂的碳链越长，制备的纳米金颗粒越稳定，其二维排列越有序。徐娇珍，华南平，杨平等人制备了3-巯基丙酸修饰的金纳米颗粒，溶胶的pH值变化导致颗粒表面的电荷发生变化，随着pH值的降低，颗粒的聚集体增大，在pH值小于4时，颗粒下沉，加碱增大溶胶的pH值，聚集的颗粒会重新分散。余海湖，何谋春，周灵德等人采用静电自组装技术制备了金纳米粒子薄膜，研究了薄膜的表面增强拉曼散射(SERS)活性。自组装金纳米粒子薄膜具有明显的SERS效应，其中双层薄膜的增强效应最强。金纳米粒子相互靠近但又不至于连通的状态具有最强的增强效果。若金纳米粒子通过点、面接触形成连通网络，将导致入射光激发表面等离子体波的机率降低，使增强效果降低。李淑瑾，蒋芸，仇立群等人研究发现将金纳米粒子组装在用3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APES)修饰的普通玻片上，再分别用偶联分子对巯基苯胺、1，4-二巯基苯在该基底上再次组装金纳米粒子，结果表明用对巯基苯胺作为组装的偶联分子得到双层金纳米粒子结构，对巯基苯胺的表面增强拉曼光谱信号得到增强，而用1，4-二巯基苯作为组装的偶联分子得到单层金纳米粒子结构。高丽珍，张兴堂，戴树玺等人用柠檬酸钠还原氯金酸溶液制备了金纳米颗粒，并用双十八烷氧基二硫酸吡啶盐(PyDDP)对其进行修饰。红外吸收光谱表明PyDDP与金颗粒表面以共价键方式结合；PyDDP修饰的金纳米粒子表面等离子吸引发生了较大幅度的红移。

金纳米粒子的研究的最新进展：至今，在纳米结构自组装控制方面做得最出色的工作是Mirkin和Alivisatos小组，他们利用DNA碱基相互识别方法取得的，他们将硫醇修饰的单链DNA吸附到金颗粒表面，DNA/纳米颗粒共同体可完全识别DNA序列并高选择地键合这些粒子，因此可以很好控制颗粒与颗粒之间的结合使其具有特定的几何形状，把许多8nm大小的粒子附着到较大的31nm颗粒表面上，制备出“卫星”结构(如图1)，像这么复杂的金属颗粒纳米结构目前还没能通过别的方式获得。

最近，Iryna Tokareva，Sergly等人在用pH值来调控在单晶硅基体上聚合物结合的金纳米与基体间的间距，这项工作比较有趣，随着pH值的变化，金纳米与基体间的距离发生了规律性的变化。

大量硫醇稳定的金属纳米颗粒的应用将要进入商业运作阶段。这些薄膜材料在有机蒸气存在时可迅速可逆地改变其导电性。这是由于它们吸收气体后能可逆性膨胀，导致金属核间距离增加。纳米颗粒中电子跳跃导电性对颗粒间距离很敏感，吸收有机蒸气后导电性增强，依据这个现象开发出了新型气敏元件。对金纳米结构自组装的研究已经在许多研究方向上取得了明显成功。将来研究的另一个明确任务将是对多组分体系的探索，这不仅包括一种类型的纳米粒子结构单元，还包括数种在结构、成分上不同的类型。

总之，金纳米已经被证明在纳米科学的许多领域中都起着重要作用。除了它们独一无二的颜色之外，还因为它们在空气下的稳定性，使其能在纳米尺寸范围得到许多应用，金纳米粒子因此成为科技的宠儿。小于2nm的微粒的优异的量子尺寸效应甚至在室温下也被观察到了，一旦合适的技术发展到允许在其表面形成人工结构，那么它将成为对于将来的纳米电子学有价值的研究方向。这个方向的第一步看来很有希望。微粒表面金原子适度的化学反应活性使它们成为特殊反应的催化剂，例如氧化反应。实际上，金纳米微粒可以在几个催化反应中充当高效催化剂。可以预见，在不远的将来，金纳米微粒能在许多领域得到广泛应用。当硅技术达到其物理极限时，金量子点可以作为单电子转换器和晶体管，金纳米线作为纳米电子导线将会大大提高纳米技术。金粒子在催化上的复兴已经开始。甚至金纳米微粒与生物分子相结合的技术已经应用到医疗诊断上。另一个正在发展的领域是传感器，金纳米粒子可以在其中起到非常重要的作用。现在虽然还不能预见金纳米的其它应用，但迟早总会出现的，那将使今后十年成为金纳米研究应用的一个“黄金时代”。

发明内容

本发明的目的是克服现有金纳米粒子不够稳定，对重金属响应不够灵敏的不足，提供一种稳定、对重金属离子响应灵敏的金纳米溶胶。

本发明的另一目的是提供一种金纳米溶胶的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明对重金属离子响应的金纳米溶胶，溶胶中的金纳米粒子是组装有L-半胱氨酸配体的金纳米粒子。

上述对重金属离子响应的金纳米溶胶中L-半胱氨酸与金纳米粒子的摩尔比为1:0.5～4，优选为1:0.5～2，金纳米粒子的粒径范围为5～15nm，优选为5～10nm。

对重金属离子响应的金纳米溶胶的制备方法，它是按下述方法步骤进行的：

(1)将氯金酸配制成浓度为0.53～0.86mmol/L的水溶液，然后向氯金酸水溶液中加入0～-5℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1:1～2，超声震荡。

(2)向上述氯金酸溶液中加入浓度为0.002～0.001g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比(S/Au)为1:0.5～4，超声震荡混合均匀。

(3)向上述混合液中滴加硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为8～4:1，超声震荡得到金纳米溶胶。

本制备过程中所用的水为去离子水或超纯水。

本发明采用L-半胱氨酸对金纳米进行表面修饰，得到了粒径大小在5-15nm之间的水分散性金纳米溶胶。L-半胱氨酸是氨基酸，对金纳米具有保护作用，另外具有酸碱的双重性质，因此采用L-半胱氨酸作为配体的金纳米粒子，保存期长、对重金属离子响应性好，适用于重金属离子检测领域；本发明提供的金纳米溶胶的制备方法工艺简单，制造成本低。

附图说明

图1是通过DNA连接的两种大小不同的金颗粒。

图2是硼氢化钠还原氯金酸的示意图。

图3金纳米粒子在不同LC浓度下的紫外-可见光谱的变化，

   对应的S/Au比是(a)4:1，(b)2:1，(c)1:1，(d)1:2，(e)1:4和(f)0:1.

图4、5、6、7为S/Au为1:2时的电镜照片，标尺为50nm，四张照片分别对应不同的区域，原始放大倍数为10万倍。

图8、9是不加LC的样品，标尺为100nm，放大倍数为20万倍。

图10、11为图8、9中截取的部分图像，标尺为20nm。

图12、13为S/Au为1:2时的电镜照片，标尺为20nm。

上述电镜照片是在南京大学分析测试中心所测。测定采用透射电子显微镜是JEOL公司的Jem 200CX-II，工作电压为200kV，把制好的溶胶样品滴在预先覆盖碳膜的铜网，预先干燥24小时后，在透射电子显微镜下测量。

照片是采用拍照的方式获得底片，然后利用透射扫描仪扫描，获得电子图片。我们根据放大倍数和具体尺寸的关系来截取图片，同时根据比例关系标注了这些照片，下述电镜照片同样如此处理。

图14为Cu²⁺离子与氨基进行配位的反应示意图。

图15为金纳米粒子在不同Cu²⁺浓度下的紫外-可见光谱的变化，对应的Au/Cu比是(a)1:0，(b)2:1，(c)1:1，(d)1:2，(e)1:4和(f)1:6。

图16为加入Cu²⁺离子金纳米粒子吸收峰随着Au/Cu的变化关系。

图17为加入Cu²⁺离子Au/Cu＝1:2条件下的电镜照片。

图18为金纳米粒子在不同Cr³⁺浓度下的紫外-可见光谱的变化，对应的Au/Cr比是(a)2：1，(b)1:1，(c)1:2和(d)1:4。

图19是加入Cr³⁺吸收峰随着Au/Cr的变化关系。

图20Au/Cr为2/1时在不同pH下的紫外-可见吸光度变化，a-e对应的pH分别是：8.98，4.53，6.01，10.60和7.91。

图21pH＝4.53条件下修饰的金溶胶的电镜图。

图22pH＝7.91条件下修饰的金溶胶的电镜图。

图23pH＝10.60条件下修饰的金溶胶的电镜图。

图24图金纳米粒子在不同Pb²⁺浓度下的紫外-可见光谱的变化，对应的Au/Pb比是(a)1:0，(b)2:1，(c)1:1，(d)1:2和(e)1:4。

图25吸收峰随着Au/Pb的变化关系。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明。

实施例1

(1)用超纯水将氯金酸配制成浓度为0.53mmol/L的水溶液，然后向氯金酸水溶液中加入0℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1：1，超声震荡。

(2)向步骤1得到的氯金酸溶液中加入浓度为0.002g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比为1：3，超声震荡混合均匀。

(3)向步骤2得到的混合液中滴加浓度为0.002g/ml的硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为8：1，超声震荡得到S/Au为1：3的金纳米溶胶。

透射电子显微镜证实该纳米粒子平均粒径为5nm。

实施例2

金纳米溶胶的制备方法如下：

(1)用去离子水将氯金酸配制成浓度为0.86mmol/L的水溶液，然后向氯金酸水溶液中加入-5℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1：1.2，超声震荡。

(2)向步骤1得到的氯金酸溶液中加入浓度为0.0018g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比为1：2，超声震荡混合均匀。

(3)向上述混合液中滴加浓度为0.002g/ml的硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为7：1，超声震荡得到S/Au为1：2的金纳米溶胶。透射电子显微镜证实该纳米粒子平均粒径为10nm。

实施例3

金纳米溶胶的制备方法如下：

(1)用去离子水将氯金酸配制成浓度为0.6mmol/L的水溶液，取3mL氯金酸溶液于锥形瓶中，然后向氯金酸水溶液中加入-1℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1：1.4，超声震荡。

(2)向上述氯金酸溶液中加入浓度为0.0016g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比为1：2.5，超声震荡混合均匀。

(3)向上述混合液中滴加浓度为0.002g/ml的硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为6：1，超声震荡得到S/Au为1：2.5的金纳米溶胶。

透射电子显微镜证实该纳米粒子平均粒径为7nm。

实施例4

金纳米溶胶的制备方法如下：

(1)用超纯水将氯金酸配制成浓度为0.8mmol/L的水溶液，然后向氯金酸水溶液中加入-2℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1：2，超声震荡。

(2)向上述氯金酸溶液中加入浓度为0.0014g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比为1：1，超声震荡混合均匀。

(3)向上述混合液中滴加浓度为0.002g/ml的硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为5：1，超声震荡得到S/Au为1：1的金纳米溶胶。透射电子显微镜证实该纳米粒子平均粒径为8nm。

实施例5

金纳米溶胶的制备方法如下：

(1)用超纯水将氯金酸配制成浓度为0.65mmol/L的水溶液，取3mL氯金酸溶液于锥形瓶中，然后向氯金酸水溶液中加入-3℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1：1.8，超声震荡。

(2)向上述氯金酸溶液中加入浓度为0.0012g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比为1：0.5，超声震荡混合均匀。

(3)向上述混合液中滴加浓度为0.002g/ml的硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为4：1，超声震荡得到S/Au为1：0.5的金纳米溶胶。

透射电子显微镜证实该纳米粒子平均粒径为9nm。

实施例6

金纳米溶胶的制备方法如下：

(1)用超纯水将氯金酸配制成浓度为0.7mmol/L的水溶液，然后向氯金酸水溶液中加入-4℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1：2，超声震荡。

(2)向上述氯金酸溶液中加入浓度为0.001g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比为1：4，超声震荡混合均匀。

(3)向上述混合液中滴加浓度为0.002g/ml的硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为5.5：1，超声震荡得到S/Au为1：4的金纳米溶胶。

透射电子显微镜证实该纳米粒子平均粒径为6nm。

下面是本发明的进一步说明。

一、金纳米粒子的制备研究

1.1 金纳米粒子的制备

金属纳米颗粒外形、大小和结构控制对纳米技术将来在微电子、生物、医学等领域的实际应用是至关重要的。

我们可以了解到，巯基对金纳米粒子的保护是有效的。这里我们引进一种不常用的配体，L-半胱氨酸。L-半胱氨酸(L-Cysteine，简称LC)是一种氨基酸，结构式如下：

从分子结构式上可以看出，LC含有三个活性基团，巯基(-SH)，羧基(-COOH)，胺基(-NH₂)。其中，-HS基团可以与金通过“S-Au”键进行络合，在合成的金纳米时起到保护作用。而羧基和胺基可以赋于合成的金纳米以特性，这将在下面的论文中详细叙述。这里提到一点，金纳米由于被LC所保护，因此所合成的金纳米粒子是水溶性的，可以溶解在水中。

我们采用的还原剂为NaBH₄，这是一种强还原剂。反应方程如下：

8n HAuCl₄+8m R-SH+3n NaBH₄+12n H₂O→8(Au)_n(R—S-)_m+3n

B(OH)₄ ^-+(32n+8m)H⁺+32n Cl^-+3n Na⁺

示意图如图2

1.1.1 L-半胱氨酸对合成金纳米粒子的影响

1.1.1.1 药品与仪器

化学药品：氯金酸(HAuCl₄·4H₂O)，分析纯，上海试剂一厂；硼氢化钠(NaBH₄)，98％，Aldrich；L-半胱氨酸盐酸盐(简称LC)，99％，，Aldrich；其它药品均为分析纯；实验用水是利用超纯水发生器制备的电阻率大于18MΩ·cm的超纯水；所有药品直接使用未经提纯。

仪器：电子分析天平，BS 124S，德国赛得利斯；紫外可见分光光度计，T6，北京普析通用仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9053，上海三发科学仪器公司；超声波清洗仪，2200W，江苏昆山清光仪器公司；离心机，TGL-164C，上海安亭电子仪器厂；透射电子显微镜，JEM-2010，日本精密株式会社。

1.1.1.2 实验过程

所有与反应有关的烧杯，滴管，移液管，比色皿均按下述方法洗涤待用。王水(浓HCl/浓HNO₃＝3:1)润洗10min，自来水浸泡5min，一次水洗涤，二次水洗涤，超纯水洗涤，倒置烘干备用。使用前，均用PE保鲜膜覆盖，以防灰尘落入。

取锥形瓶，向瓶中加入10ml冷冻甲醇，取3ml 3.7135mmol/L的HAuCl₄水溶液，用超纯水稀释至17ml，然后加入锥形瓶中，同时打开超声波震荡。称取L-半胱氨酸0.0046g，用超声波清洗机配成4.6ml溶液，用移液管分别移入0.3，0.5，0.8，1.2，1.8ml加入锥形瓶中配成S/Au为1：4，1：2，1：1，2：1，4：1的溶液，同时打开超声波震荡，混合均匀。称取NaBH₄ 0.0095g，使用超声波清洗机配成12.5ml甲醇溶液，用移液管分别移2.5ml溶液，超声震荡下逐滴滴加到锥形瓶中，得不同S/Au配比的金溶胶。

粒子直径的测定采用透射电子显微镜是JEOL公司的Jem 200CX-II，工作电压为200kV，把制好的溶胶样品滴在预先覆盖碳膜的铜网上，自然干燥后，在透射电子显微镜下测量；金溶胶的吸收光谱用普析通用T6新世纪型紫外-可见分光光度计测定，测定的波长范围是400-800nm，扫描间隔是1nm，测定时保证样品的浓度一致。

1.1.1.3 结果与讨论

L-半胱氨酸浓度对金纳米粒子直径的影响

图3是AuNPs在不同浓度LC保护下所测得的紫外-可见光谱。其中L-半胱氨酸与HAuCl₄的摩尔比(S/Au)a至f分别对应为：4:1、2:1、1:1、1:2、1:4、0:1。图3中，加入LC的曲线e和不加LC的曲线f形成明显的对比：未加入LC，吸收峰的半峰宽更宽；加入LC后，可以发现半峰宽明显变窄，但是吸收峰略有下降。而在加入更多的LC后，从图中可以看出，吸收峰的强度进一步降低，而且半峰宽变宽。根据经典Mie理论，3～20nm金纳米粒子在520nm附近有吸收，图中金溶胶的吸收峰基本处于520nm附近。这说明所制备的金溶胶的纳米粒子的直径在3～20nm之间。根据文献，粒子的直径增大，则发生红移现象。从图中我们可以看出，未加LC的曲线f和加入大量的LC的曲线a，发生了明显的红移现象，这说明在这两种情况下粒子的直径偏大。同时，吸收峰的半峰宽与粒子的分布有关系，粒子分布越均一，半峰宽越窄。对比曲线a，e，f我们可以发现，曲线a的半峰宽比较宽，这说明此时的AuNPs粒子尺寸分布不均匀。从上述现象我们可以得出下列结论：加入少量的LC后，金纳米粒子的直径较小。但是由于金纳米粒子外层为LC保护，减弱了AuNPs的吸收强度，使得AuNPs的吸收峰降低。而加入更多的LC后，这种现象更明显，当S/Au比为4:1时，发生了明显的红移，半峰宽比未加LC时变得更宽，我们可以推断，此时的金纳米之间发生了团聚行为，使得粒子尺寸的直径变大，而且粒子分布不均匀。因此，少量的L-半胱氨酸对金纳米粒子的保护是非常理想的。

不同浓度下电镜照片的分析：

如图4、5、6、7，从图中我们可估算出金纳米粒子的尺寸在5-8nm之间，粒子分布比较均匀。如图8、9、10、11，从图中我们可以看了金纳米的单个粒子的直径在10nm以上，更严重的是，粒子之间发生的团聚行为很严重。

LC的加入对金纳米粒子保护是有效的，具体表现在：1)金纳米粒于的粒径变小，2)团聚现象减少。

结合紫外可见分光度计的图谱，我们可以得到如下结论：1)少量的LC对金纳米粒子的保护是非常理想的；2)紫外-可见分光光度计的吸收峰的半峰宽与纳米粒子的粒径有关，纳米粒子的粒径小，则半峰宽变窄，若纳米粒子粒径大，则半峰宽变宽，而且当发生团聚行为时，半峰宽更宽。

1.2 重金属离子对合成的金纳米粒子的影响

Cu²⁺离子可以与氨基进行配位，反应示意图如图14。

重金属离子与氨基酸可以进行配位，肯定会影响含“金纳米”粒子的L-半胱氨酸结构，用金纳米粒子在单晶硅表面吸光光度的变化来确定是否含有重金属离子。另外，像铬，铅等离子，也可以进行研究。

1.2.1 Cu2⁺的影响

1.2.1.1 药品与仪器

化学药品：氯金酸(HAuCl₄·4H₂O)，分析纯，上海试剂一厂；硼氢化钠(NaBH₄)，98％，Aldrich；L-半胱氨酸盐酸盐(简称LC)，99％，Aldrich；CuCl₂，分析纯，超纯水发生器制备的电阻率大于18MΩ·cm的超纯水；所有药品直接使用未经提纯。

仪器：酸度计，PHS-3C，精确到0.01，上海大普仪器有限公司；电子分析天平，BS 124S，德国赛得利斯；紫外可见分光光度计，T6，北京普析通用仪器有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9053，上海三发科学仪器公司；超声波清洗仪，2200W，江苏昆山清光仪器公司；离心机，TGL-164C，上海安亭电子仪器厂；透射电子显微镜，JEM-2010，日本精密株式会社。

1.2.1.2 实验过程

取新制备的S/Au比为1：2的金溶胶5ml，用移液管移取2ml 0.047mol/LCuCl₂，加入18ml超纯水，用超声波混合均匀，向金溶胶中分别移入0.55，1.1，2.2，3.3，4.4，5.5ml，同时进行超声波震荡，得到Au/Cu摩尔比为1/1，1/2，1/4，1/6，1/8，1/10的金溶胶。同理，可配制大量Au/Cu摩尔比为1/1的金溶胶，加入盐酸或氢氧化钠调节pH值。

采用T6紫外-可见分光光度计测量了不同pH下，不同Au/Cu摩尔比的金纳米溶胶的紫外-可见吸收光谱。JEM-2010透射电子显微镜表征了颗粒的尺寸大小及聚集状态。

由于Cu²⁺在碱性条件下发生沉淀，因此，我们预先把溶胶的pH调节到酸性，调节pH值到5左右。

1.2.1.3 结果与讨论

紫外可见吸收光谱分析

表1  不同Au/Cu下金溶胶的吸收峰值及对应的波长

图15为加入不同量的铜离子后金溶胶的紫外可见吸收光谱，从图中可以看出，铜离子的加入使金溶胶的吸收减弱；且随着铜离子的增多，吸收减弱更明显。这是由于加入的铜离子与-NH₂，-COOH发生配位作用，金纳米粒子表面所带电荷减少，导致原有金纳米粒子部分团聚，纳米粒子浓度下降所引起的；加入的铜离子越多，配位作用越强，粒子表面电荷减少越多，团聚越剧烈，吸收减弱越显著。此外，加入铜离子后，吸收峰发生了红移现象，而且半峰宽也增大了。这说明加入铜离子后，金纳米发生了部分聚集，这也证明了，铜离子与金纳米粒子发生了络合行为。

透射电镜分析

从图17中可以看出，金纳米发生了聚集行为，这个现象与上述紫外-可见分光光度计的分析吻合。

通过吸收峰的变化，我们可以看到铜离子与金纳米粒子进行了络合作用。这对通过金纳米检测铜离子提供了一个新的途径。

1.2.2 Cr³⁺的影响

1.2.2.1 紫外可见吸收光谱分析

从图18不同Au/Cr下的金溶胶的吸收光谱图可以看出，随着加入铬离子的增多，金溶胶的吸收峰强度逐渐减弱，表3为不同Au/Cr下的金溶胶的吸收峰强度及波长，图19是根据表3所作的吸收峰随Au/Cr的变化图。

表2  不同Au/Cr下的金溶胶的吸收峰强度及波长

上述现象与加入铜离子后相同，都是由于加入的金属离子与溶液中的-COOH，-NH₂等发生配位作用，减小纳米粒子表面所带电荷，纳米粒子部分团聚，浓度下降引起的，溶胶的紫外可见吸收减弱，且加入金属离子越多，所引起的团聚作用越强，溶胶的紫外可见吸收减弱越多。

表3  不同pH值下吸收峰的强度及波长

从图20Au/Cr为2/1时不同pH下金溶胶的吸收光谱图可以看出，加入铬离子后，金溶胶的pH为8.98，紫外可见吸收最强；加酸时，溶胶的紫外吸收先减小后增大；加碱时，溶胶的紫外吸收减弱。表4为不同pH值下吸收峰的强度及波长。

如前所述，加入少量的盐酸后，在酸性条件下，加入的H⁺引起羧基电离度降低，且H⁺与-NH₂的作用生成-NH₃ ⁺，两方面结果使金纳米粒子表面正电荷增加，粒子之间相斥作用增强，不易发生团聚，紫外可见吸收有所增强；在碱性条件下，少量的OH^-即可使羧基的电离度增加，也可以使-NH₂与H₂O的反应趋势减弱，粒子表面负电荷增加，不易发生团聚，紫外可见吸收增强；但粒子表面电荷较多时，可能引起一些亲电反应，使表面电荷减少，粒子发生聚集，紫外可见吸收减弱。在pH为中性附近时，即在L-半胱氨酸的等电点附近，L-半胱氨酸主要以两性离子(或分子内盐)的形式存在，纳米粒子表面电荷较少，容易发生聚集，紫外可见吸收较弱，甚至出现最低点。

1.2.2.2 透射电镜分析

图21、22、23为三个不同pH值下金溶胶的透射电镜照片。从图中可以看出，三个pH值下的金溶胶都有不同程度的聚集。当pH＝7.91时，颗粒聚集现象并不十分明显，金颗粒有一定的分散性，呈近似球形分布，；当pH＝10.60时，已有较显著的颗粒聚集现象，且粒子大小不匀；当pH＝4.53时，聚集体较前者进一步增大。进一步减小pH值时，溶胶自动下沉，放入超声波震荡后，沉淀自动“溶解”，形成紫红色的溶胶。

1.2.3 Pb²⁺的影响

1.2.3.1 紫外可见吸收光谱分析

表4  不同Au/Pb下金溶胶的吸收峰的强度及波长

图24为不同Au/Pb下金溶胶的吸收光谱图，表4为不同Au/Pb下金溶胶的吸收峰的强度及波长。从图中我们可以看出，加入铅离子后，溶胶的吸收较未加入前减弱，且随着铅离子的增多(从2/1到1/1，1/2，1/4)，溶胶的吸收逐渐减弱。这是加入铅离子后，铅粒子与纳米粒子表面的-NH₂，-COOH发生配位，使金纳米粒子表面电荷减少，金纳米粒子易发生聚集，且加入的铅离子越多，粒子的团聚越剧烈，溶胶的吸收减弱越明显。

上述的三种重金属离子均可与合成的纳米粒子发生团聚行为，但是吸收峰的位置变化趋势并不相同，随着铜离子浓度的增加，吸收峰变化比较平缓，而另外两种离子呈线性降低。这种方法可以用于一些重金属离子的检测当中，特别是在与生物相关的领域。

Claims (7)

1.一种对重金属离子响应的金纳米溶胶，其特征在于：溶胶中的金纳米

粒子是组装有L-半胱氨酸配体的金纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的对重金属粒子响应的金纳米溶胶，其特征在于：溶胶中L-半胱氨酸与金纳米粒子的摩尔比为1:0.5～4。

3.根据权利要求1或2所述的对重金属粒子响应的金纳米溶胶，其特征在于：溶胶中L-半胱氨酸与金纳米粒子的摩尔比为1:0.5～2。

4.根据权利要求1所述的对重金属离子响应的金纳米溶胶，其特征在于：溶胶中金纳米粒子的粒径为5～15nm。

5.根据权利要求1所述的对重金属离子响应的金纳米溶胶，其特征在于：溶胶中金纳米粒子的粒径为5～10nm。

6.如权力要求1所述的对重金属离子响应的金纳米溶胶的制备方法，其特征在于：它是按下述方法步骤进行的：

(1)将氯金酸配制成浓度为0.53～0.86mmol/L的水溶液，然后向氯金酸水溶液中加入-5～0℃的甲醇，氯金酸水溶液与甲醇的体积比为1：1～2，超声震荡；

(2)向上述氯金酸溶液中加入浓度为0.001～0.002g/ml的L-半胱氨酸水溶液，使得L-半胱氨酸与氯金酸的摩尔比为1：0.5～4，超声震荡混合均匀；

(3)向上述混合液中滴加浓度为0.002g/ml的硼氢化钠的甲醇溶液，硼氢化钠与氯金酸的摩尔比为8～4：1，超声震荡得到金纳米溶胶。

7.根据权利要求2所述的对重金属离子响应的金纳米溶胶的制备方法，其特征在于：制备过程中所用的水为去离子水或超纯水。

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