CN107457412B - 一种高稳定的金纳米花制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种高稳定的金纳米花制备方法，属于纳米材料制备的技术领域。本发明以血清蛋白为形貌诱导剂，抗坏血酸为还原剂，氯金酸为金前体；将氯金酸与血清蛋白混合，孵育40～90分钟后加入还原剂，在pH值3～5、温度4～30℃的条件下反应半小时得到高稳定的金纳米花。本发明制备的金纳米花具有稳定性高、抗盐抗熟化能力强、枝长和尺寸可调控等优点。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备的技术领域，具体涉及一种以血清蛋白为形貌诱导剂，抗坏血酸为还原剂，氯金酸为金前体，制备高稳定的、枝长和尺寸可调的金纳米花的方法。
技术背景
金纳米花因其多枝结构和粗糙的表面，具有独特的光学性质，在表面增强拉曼散射、生物标记和检测、光热治疗等领域具有广泛的应用前景。金纳米花的光学性质强烈依赖于其枝长和粒子尺寸，不同枝长和尺寸的金纳米花具有不同的光学效果。因而枝长和粒子尺寸的可调，显然能满足更广泛的应用需求。金纳米花的合成方法主要分为两类：种子合成法和一步合成法。前者需要预先合成一定尺寸的金纳米粒子作为种子，然后在含有氯金酸和还原剂的生长溶液中得到金纳米花。一步合成法无需种子，在形貌诱导剂或还原剂调控下，直接还原氯金酸得到金纳米花。一步法明显步骤更简化，更适宜规模化的生产和应用。此外，金纳米花的不稳定性(易熟化及胶体稳定性差)是限制其实际应用的一个关键问题。一般提高金纳米花稳定性的常见方法是，先合成出花状金纳米粒子，然后加保护剂(如蛋白分子或PEG等高分子)进行后处理。虽然该方法可以明显改善金纳米花溶胶的胶体稳定性，但因其纳米粒子表面其他配体的干扰，保护剂分子与纳米粒子结合不够紧密，其结构稳定性并不能得到明显提高(粒子仍易熟化)，而且后处理的方法往往需要大过量的蛋白等分子及较严格的实验条件。因此，该方法并不是提高金花稳定性的最好方案。稳定金花粒子的最佳方案是，在合成金花粒子时，原位加入保护剂(同时也是形貌诱导剂)，一步法合成出稳定的金纳米花粒子。该方法在合成稳定的金花粒子时，氯金酸与保护剂的孵育时间至关重要，如果孵育时间过短，金花粒子的胶体稳定性很难保证。如，Nivedita等人，用牛血清白蛋白(BSA)与氯金酸及抗坏血酸同时加入反应体系，基本上不孵育，虽然也能得到花状金纳米粒子，但游离的BSA分子过多，容易导致金纳米粒子聚沉，单分散性变差，金纳米花的枝长和尺寸也没有办法进行有效调控；而如果孵育时间过长，很可能会引起蛋白等分子变性产生沉淀，同样会导致金花粒子稳定性和单分散性变差，实验结果不可控。因此，不需后处理，一步法合成出高稳定的金花粒子时，氯金酸与保护剂(蛋白分子等)的最佳孵育时间是提高该方案金花粒子稳定性的关键！
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服背景技术存在的缺点和不足，提供一种操作简便、稳定性高、并且枝长和尺寸可调的金纳米花的制备方法。
具体的技术方案如下：
一种高稳定的金纳米花制备方法，其特征在于：将氯金酸与血清蛋白混合，混合后氯金酸的浓度为0.25mM，血清蛋白的浓度为1～4μM，孵育40～90分钟后加入还原剂，在pH值3～5、温度4～30℃的条件下反应半小时得到高稳定的金纳米花；所述的还原剂，是抗坏血酸，用量按摩尔比为氯金酸的5倍。
在本发明的一种高稳定的金纳米花制备方法中，孵育时间优选60分钟；所述的血清蛋白可以是牛血清蛋白、人血清蛋白或兔血清蛋白等。
在本发明的一种高稳定的金纳米花制备方法中，可通过改变孵育时间来调节金纳米花的枝长：孵育时间为40分钟、60分钟、90分钟时分别制得枝长为10nm、20nm、23nm的金纳米花。
在本发明的一种高稳定的金纳米花制备方法中，可通过改变孵育时混合溶液中血清蛋白的浓度来调节金纳米花的尺寸：在氯金酸的浓度保持0.25mM不变且孵育时间保持60分钟不变，而血清蛋白的浓度分别为1μM、2μM、2.5μM、4μM时，可制得尺寸为40nm、60nm、100nm、130nm的金纳米花。
有益效果：
1、本发明制备的金纳米花稳定性非常高，放置3个月后形貌和性质无明显变化。
2、本发明制备的金纳米花抗盐、抗熟化能力强，在高浓度的NaCl溶液中放置24小时，形貌和性质无明显变化。
3、本发明的方法可通过改变血清蛋白的浓度和孵育时间来控制产物的尺寸和枝长，不同枝长和尺寸的金纳米花具有不同的光学效果，显然能满足更广泛的应用需求。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的高稳定的金纳米花的透射电子显微镜(TEM)图像。
图2是本发明实施例1制得的金纳米花，在放置三个月前后的光谱数据和溶液的数码照片。
图3是本发明实施例1制得的金纳米花，在加入1mL 2M NaCl 24小时前后的光谱和溶液数码照片。
图4是实施例2中按现有技术后处理包覆BSA的金纳米花，在加入1mL 2M NaCl 1小时前后的光谱和溶液数码照片。
图5是本发明实施例3孵育时间为40分钟时制得的枝长为10nm的金纳米花的TEM图像。
图6是本发明实施例3孵育时间为90分钟时制得的枝长为23nm的金纳米花的TEM图像。
图7是本发明实施例3孵育时间为40分钟时制得的枝长为10nm的金纳米花，在放置三个月前后的光谱数据和溶液的数码照片。
图8是本发明实施例3孵育时间为90分钟时制得的枝长为23nm的金纳米花，在放置三个月前后的光谱数据和溶液的数码照片。
图9是本发明实施例4制得的尺寸为40nm的金纳米花的TEM图像。
图10是本发明实施例4制得的尺寸为100nm的金纳米花的TEM图像。
图11是本发明实施例4制得的尺寸为130nm的金纳米花的TEM图像。
图12是本发明实施例4制得的不同尺寸的金纳米花的光谱图(等离子体共振峰位分别为546nm,590nm,635nm)。
图13为本发明实施例5，氯金酸和血清蛋白孵育15分钟后加还原剂获得的枝长较短的金纳米花的TEM图像。
图14是本发明实施例5制得的金纳米花，在放置半小时前后的光谱数据和溶液的数码照片。
图15是本发明实施例6，氯金酸和血清蛋白孵育4小时后加还原剂产生沉淀的照片。
具体实施方式
以下是本发明的实施例用到的基础条件，但本发明能实施的范围并不限于这些条件，也不限于这些实施例：
环境温度25℃，1个大气压；
氯金酸(HAuCl4)，分子量339.79g/mol；
水，密度1g/mL，分子量18g/mol；
牛血清蛋白(BSA)，分子量66.5kDa；
人血清蛋白(HSA)，分子量66.2kDa；.
兔血清蛋白(RSA)，分子量64.6kDa；
抗坏血酸(AA)，分子量176.12g/mol。
实施例1：高稳定金纳米花的制备
配制5mL HAuCl4浓度为0.25mM且BSA浓度为2.0μM的混合溶液，孵育60分钟后，在300rpm搅拌下加入50μL 0.125M的AA，用1M的HCl或1M的NaOH将混合溶液的pH值调节至3～5，在常温下反应半小时后得到枝长为20nm、尺寸为60nm的金纳米花，TEM图像如图1所示；得到的金纳米花非常稳定，三个月后颜色无明显变化，光谱和照片如图2所示。
实施例2：稳定性与现有技术制备的金纳米花对比实验
按本领域常识可知，制备的金纳米花通过包覆BSA之后稳定性能得到提高。按专利CN 1817523A的方法制备金纳米花并包覆BSA：取20mL浓度为0.0016％的HAuC14溶液，用1M的NaOH溶液调节HAuC14溶液的pH值为10，加入60μL 10.04M盐酸羟胺溶液，搅拌条件下一次性加入2.5×10-4M～25nm的金种子1.5mL，25℃条件下继续搅拌反应5分钟,得到约40nm的金纳米花。取4mL金纳米花，搅拌条件下加入1mL 5mg/mL的BSA，作用5h后得到包覆BSA的金纳米花。
分别取4mL上述后处理包覆BSA的金纳米花和本发明实施例1制备的金纳米花，然后分别加入1mL 2M NaCl溶液，
本发明实施例1制备的金纳米花24小时后溶液颜色无变化，光谱和溶液照片如图3所示，说明本发明的方法制备的金纳米花的结构非常稳定，抗盐、抗熟化能力强。而按现有技术制备并后处理包覆BSA的金纳米花，1小时后溶液颜色变红，光谱和溶液照片如图4所示，现有技术制备的金纳米花即使包覆BSA之后结构仍远不如本发明稳定，很快会被熟化为球形粒子。
实施例3通过改变孵育时间调控金纳米花的枝长
将实施例1中的孵育时间由60分钟分别改变为40分钟和90分钟，其它条件不变最终则得到枝长分别为10nm和23nm的金纳米花，得到的金纳米花TEM图像分别如图5和图6所示；得到的金纳米花非常稳定，三个月后颜色无明显变化，光谱和溶液照片分别如图7和图8所示。
通过本实施例可以看出本发明可通过改变孵育时间实现对金纳米花的枝长的调控。
实施例4通过改变血清蛋白的浓度调控金纳米花的尺寸(粒径)
将实施例1中的血清蛋白由浓度为2.0μM的BSA依次改变为浓度为1.0μM的BSA、浓度为2.5μM的HSA、浓度为4.0μM的RSA，其它条件不变，反应结束后分别得到尺寸为40nm、100nm、130nm的金纳米花，TEM图像分别见图9、图10和图11，光谱图见图12(等离子体共振峰位分别为546nm,590nm,635nm)。
以下实施例5～6是反例，用以说明在反应参数超出本发明给的合理范围后的现象。
实施例5
将实施例1中的孵育时间由60分钟改为15分钟，其它条件不变，反应结束后得到枝长较短的金纳米花，TEM图像如图13所示；得到的金纳米花在半小时后聚沉，颜色变浅，光谱和照片如图14所示。说明孵育时间过短时，制备的产物将非常不稳定。
实施例6
将实施例1中的孵育时间由60分钟改为4小时，然后在300rpm搅拌下加入50μL0.125M的AA，两分钟后溶液中沉淀产生，得不到金花粒子，溶液照片如图15所示。
由以上各实施例可以看出本发明的方法制备的金纳米粒子稳定性、抗盐、抗熟化能力均远远高于现有技术，在本发明给定的合理参数范围内，可以通过改变孵育时间、血清蛋白的浓度实现对产物金纳米花粒子的枝长、尺寸的调控，以满足不同场合下对不同光学性质的金纳米花的需求。而当反应参数(比如孵育时间)超出本发明给的合理范围时，制得的产物稳定性迅速下降甚至完全得不到金纳米花粒子。
Claims (5)
1.一种高稳定的金纳米花制备方法，其特征在于：将氯金酸与血清蛋白混合，混合后氯金酸的浓度为0.25mM，血清蛋白的浓度为1～4μM，孵育40～90分钟后加入还原剂，在pH值3～5、温度4～30℃的条件下反应半小时得到高稳定的金纳米花；通过改变孵育时间调节金纳米花的枝长；通过改变孵育时混合溶液中血清蛋白的浓度调节金纳米花的尺寸；所述的还原剂，是抗坏血酸，用量按摩尔比为氯金酸的5倍。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定的金纳米花制备方法，其特征在于，将氯金酸与血清蛋白混合，孵育时间60分钟。
3.根据权利要求1所述的一种高稳定的金纳米花制备方法，其特征在于，所述的血清蛋白是牛血清蛋白、人血清蛋白或兔血清蛋白。
4.根据权利要求1或3所述的一种高稳定的金纳米花制备方法，其特征在于，所述的通过改变孵育时间调节金纳米花的枝长是：孵育时间为40分钟、60分钟、90分钟时分别制得枝长为10nm、20nm、23nm的金纳米花。
5.根据权利要求1～3任一所述的一种高稳定的金纳米花制备方法，其特征在于，所述的通过改变孵育时混合溶液中血清蛋白的浓度调节金纳米花的尺寸是：在氯金酸的浓度保持0.25mM不变且孵育时间保持60分钟不变，而血清蛋白的浓度分别为1μM、2μM、2.5μM、4μM时，分别制得尺寸为40nm、60nm、100nm、130nm的金纳米花。
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