CN113070485B - 一种荧光金纳米立方体的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，公开了一种荧光金纳米立方体的合成方法，包括：将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合均匀，再加入抗坏血酸，调节溶液的pH至强碱性，加热反应，牛血清白蛋白在加热过程中发生不可逆热变性，形成立方体状模板，金纳米颗粒包裹在牛血清白蛋白立方体状模板中，反应生长成金纳米立方体。本发明通过控制反应物质的比例、还原剂的用量、pH值、反应温度和反应时间合成了尺寸和形貌均一、荧光信号良好的荧光金纳米立方体，为纳米立方体的形状控制合成提供一定的指导。

Description

一种荧光金纳米立方体的合成方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种荧光金纳米立方体的合成方法。

背景技术

荧光材料主要分为无机荧光材料、有机荧光材料和复合荧光材料。随着科学技术的发展和社会的进步，人们对荧光的研究越来越多，荧光材料的应用范围也越来越广泛。现如今，荧光材料被广泛用于显示、照明、光学成像、医疗、药物示踪、探测、农业等领域。开发简单易制备，稳定性好和具有优良荧光性能的荧光材料具有重要意义。

在纳米荧光材料的研究领域中，金纳米材料因其独特的光学、电学、磁学、热学、力学和催化等特性及其在新能源材料、光电子学、信息储存、生物医疗及表面增强效应等领域的应用而受到众多研究者的广泛关注。研究表明，金纳米粒子的特殊性能是由纳米粒子的尺寸、形状、组分、晶型和结构决定的。金纳米粒子由于具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，会产生不同于块体金的特殊物理化学性质，比如表面等离子共振特性、荧光特性、电化学特性、分子识别特性等。因此，合成形状单一、尺寸可控、晶型和结构明确的金纳米粒子是研究和应用其性质的至关重要一步。

金纳米粒子的合成方法有多种，主要分为物理法和化学法，广泛应用的是化学法，主要有：氧化还原法、相转移法、晶种法、电化学方法。目前，已经制备出多种各向异性的金纳米粒子，如纳米棒、纳米管、纳米线、纳米笼、纳米壳、三角形、六角形、正八面体、立方体等。尽管金纳米粒子的制备方法已经基本成熟，但是如何降低金纳米粒子的尺寸、改善其形貌、制备出尺寸均一形状可控的金纳米粒子仍然是合成中的难点。金纳米立方体是一种极具发展潜力的金纳米结构，相比其他贵金属纳米颗粒，金纳米立方体具有良好的化学稳定性，表面修饰性，较好的生物相容性以及优异的光学和催化性能，其平坦的表面也常被用作组装结构的构件，如面对面组装的立方体二聚体，或作为进一步合成更复杂结构的模板，在许多领域都有着广泛的应用前景，然而缺乏具有高产率、高精度、简易的合成策略，制约了其实际应用。现如今金纳米立方体的合成方法有电化学法、生物合成法、湿化学还原法、液相化学法等，然而这些方法有的需要较长的合成时间，有的需要特殊的设备，有的合成的金纳米立方体尺寸不均一，重现性较差。因此，通过简单的方法合成具有高重现性和可控性的金纳米立方体在材料科学领域以及荧光材料领域中具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单而且可控、重复性高的荧光金纳米立方体的合成方法，该合成方法采用一锅法，利用蛋白质在碱性加热条件下简单地混合金属离子和还原剂来控制生物相容性金纳米粒子的合成，得到的金纳米立方体分散性良好、尺寸可控、荧光信号强。

本发明的技术方案如下：

一种荧光金纳米立方体的制备方法，包括：将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合均匀，再加入抗坏血酸，调节溶液的pH至强碱性，加热反应，制得金纳米立方体。

溶液中，牛血清白蛋白的浓度为10-20mg/mL，氯金酸的浓度为3-7mM；优选的，溶液中，牛血清白蛋白的浓度为10mg/mL，氯金酸的浓度为5mM。

氯金酸和抗坏血酸的摩尔比为1000:2-8，优选为1000:4。

优选的，调节溶液的pH至10.88-13.03，优选至12.10。本发明采用氢氧化钠溶液调节溶液的pH，也可以采用其他碱。

加热反应的温度为80-120℃，优选为100℃；加热反应的时间为1-6h，优选为2h。

本发明可以选择先将牛血清白蛋白和氯金酸、抗坏血酸分别配制成水溶液，再按照各物料配比先将牛血清白蛋白和氯金酸混合均匀，再加入抗坏血酸水溶液，或可以选择先将牛血清白蛋白和氯金酸配制成混合水溶液，再按照物料比投入抗坏血酸(固体)或抗坏血酸水溶液。

具体的，本发明所述的荧光金纳米立方体的制备方法包括如下步骤：

步骤(1)、搅拌下，将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合均匀；

步骤(2)、搅拌下，往步骤(1)所得的混合溶液中加入抗坏血酸；

步骤(3)、搅拌下，将混合溶液的pH调至强碱性，加热反应，制得金纳米立方体。

本发明所述的荧光金纳米立方体的合成方法，反应原理：牛血清白蛋白含有35个潜在的巯基基团、17个二硫键和一个自由的半胱氨酸，可作为还原剂还原金属离子，多价配体来钝化金属材料表面，稳定剂来稳定金属材料。先将牛血清白蛋白与氯金酸混合均匀，再加入还原剂抗坏血酸，在碱性条件下，牛血清白蛋白构型发生变化，还原能力增强，配合抗坏血酸的还原能力可以将Au³⁺还原为金原子。加热条件下，牛血清白蛋白会在加热过程中发生不可逆热变性，形成立方体状脚手架，为后续立方体的形成提供模板。金纳米颗粒包裹在牛血清白蛋白立方体状脚手架中，反应生长成金纳米立方体。

本发明的另一个目的是提供通过本发明所述的合成方法制备得到的荧光金纳米立方体。

本发明的有益效果：

(1)、本发明制备方法简单易控制，原料易得，重复性高；

(2)、本发明方法通过控制反应物质的比例、还原剂的用量、pH值、反应温度和反应时间，制备得到的金纳米立方体呈单一立方体状且尺寸一致，为金纳米立方体的形状控制合成提供一定的指导。

(3)、采用本发明方法制备的金纳米立方体荧光信号强且稳定，有望用于生物成像及其他领域。

附图说明

图1是牛血清白蛋白与氯金酸不同配比制得的金立方体的荧光强度图。

图2是加入不同量抗坏血酸条件下制得的金立方体的荧光强度图。

图3是不同pH值条件下制得的金立方体荧光发射光谱图。

图4是不同温度条件下制得的金立方体荧光发射光谱图。

图5是不同反应时间条件下制得的金立方体荧光发射光谱图。

图6是实施例1合成的金纳米立方体的透射电子显微镜图像。

图7是实施例1合成的金纳米立方体的荧光激发和发射光谱图。

图8是实施例2合成的金纳米立方体的透射电子显微镜图像。

图9是实施例2合成的金纳米立方体的荧光激发和发射光谱。

图10是对比例1合成的金纳米粒子的透射电子显微镜图像。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明所描述的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围和值，这些范围或值应该理解为包含或接近的范围或值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本发明中具体公开。

以下通过具体实验阐述荧光金纳米立方体的合成方法。

试剂和材料：

合成方法优化

1.2牛血清白蛋白与氯金酸配比对金纳米立方体合成的影响

称取不同质量的牛血清白蛋白和氯金酸，搅拌下将牛血清白蛋白和氯金酸按不同的物料比在水中混合，配制成7份体积相同的混合溶液，将混合溶液中10mg/mL牛血清白蛋白与0.1mM氯金酸混合的比例记为1:0.01，配制不同的混合比例，分别为1:0.01、1:0.05、1:0.1、1:0.3、1:0.5、1:0.7、1:1。混合均匀后，在搅拌条件下按每1mM氯金酸对应4μM抗坏血酸的量加入抗坏血酸，采用浓度为1M的氢氧化钠溶液调节溶液的pH至12.10，将反应温度调节至100℃，反应2h。

采用荧光分光光度计，以495nm作为激发波长扫描溶液在650nm处的最大吸收峰强度，做图，如图1所示，混合溶液中牛血清白蛋白与氯金酸不同比例影响金立方体的最大吸收峰强度。当比例为1:0.7-1:0.3时，荧光强度较强，尤其是当比例为1:0.5时，荧光强度最佳。说明按照10mg/mL牛血清白蛋白与3-7mM氯金酸混合制备金纳米立方体时，荧光强度较强，尤其是按照10mg/mL牛血清白蛋白与5mM氯金酸混合制备金纳米立方体时，荧光强度最佳。

1.2抗坏血酸用量对金纳米立方体合成的影响

搅拌下，将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合配制成混合溶液，使混合溶液中牛血清白蛋白浓度为10mg/mL，氯金酸浓度为5mM，在搅拌条件下，往混合溶液中加入不同用量的抗坏血酸使每1mM氯金酸对应的抗坏血酸量分别为0.2μM、1μM、2μM、4μM、8μM、12μM、16μM、20μM，采用浓度为1M的氢氧化钠溶液调节pH至12.10，将反应温度调节至100℃，反应2h。

采用荧光分光光度计，以495nm作为激发波长扫描溶液在650nm处的最大吸收峰强度，做图，如图2所示，可以看出，抗坏血酸的用量影响金立方体的最大吸收峰强度。每1mM氯金酸被2-8μM抗坏血酸还原时，荧光强度较强，尤其是当每1mM氯金酸被4μM抗坏血酸还原时，荧光强度最佳。

1.3 pH值对金纳米立方体合成的影响

搅拌下，将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合配制成混合溶液，使混合溶液中牛血清白蛋白浓度为10mg/mL，氯金酸浓度为5mM，在搅拌条件下，按每1mM氯金酸需要4μM抗坏血酸的量往混合溶液中加入抗坏血酸，加入不同体积(0mL、0.1mL、0.2mL、0.3mL、0.4mL、0.5mL、0.6mL、0.7mL、0.8mL)浓度为1M的NaOH溶液，分别调节溶液的pH至2.50、4.44、7.12、10.88、12.10、12.64、12.83、12.94、13.03，将反应温度调节至100℃，反应2h。

采用荧光分光光度计，以495nm作为激发波长扫描溶液的荧光发射光谱图，如图3所示，可以看出，溶液的pH值影响金立方体的荧光强度，随着碱性的增强，金立方体的荧光强度也随之增加，在pH为12.10时达到峰值，随后，增加碱性，荧光强度会缓慢下降。可见，在pH值为10.88-13.03时，荧光强度较强，尤其是当pH值为12.10时，荧光强度最佳。

2.4温度对金纳米立方体合成的影响

搅拌下，将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合配制成混合溶液，使混合溶液中牛血清白蛋白浓度为10mg/mL，氯金酸浓度为5mM，在搅拌条件下，按每1mM氯金酸需要4μM抗坏血酸的量往混合溶液中加入抗坏血酸，共配制5份体积相同的混合溶液，将反应温度调节至37℃、60℃、80℃、100℃、120℃，反应2h。

采用荧光分光光度计，以495nm(图4曲线B、C、D、E)、390nm(图4曲线A)作为激发波长扫描溶液的荧光发射光谱图，如图4所示，可以看出，反应温度影响金立方体的荧光强度。图4中曲线A(反应温度37℃)没有金立方体的特征吸收峰，说明需要使牛血清白蛋白在加热过程中发生不可逆热变性形成立方体状脚手架，才能为后续立方体的形成提供模板。由曲线B到曲线E可以看出，随着温度的增加，金立方体的荧光强度也随之增加，在反应温度为100℃时达到峰值，随后，随着温度增加，荧光强度下降。说明在反应温度为80-120℃时，荧光强度较强，尤其是当反应温度为100℃时，荧光强度最佳。

2.5反应时间对金纳米立方体合成的影响

搅拌下，将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合配制成混合溶液，使混合溶液中牛血清白蛋白浓度为10mg/mL，氯金酸浓度为5mM，混合均匀后，在搅拌条件下，按每1mM氯金酸需要4μM抗坏血酸的量往混合溶液中加入抗坏血酸，共配制8份体积相同的混合溶液，将反应温度调节至100℃，分别反应1h、1.5h、2h、2.5h、3h、4h、6h、12h。

采用荧光分光光度计，以495nm作为激发波长扫描溶液的荧光发射光谱图，如图5所示，可以看出，反应时间影响金立方体的荧光强度，在反应0-2h时间段内，随着反应时间的增加，金立方体的荧光强度也随之增加，反应2h后达到峰值，往后继续反应，荧光强度会下降。说明在反应时间为1-6h时，荧光强度较强，尤其是当反应时间为2h时，荧光强度最佳。

实施例1

一种金纳米立方体的制备方法，步骤如下：

步骤(1)、精密称取牛血清白蛋白和氯金酸，将牛血清白蛋白和氯金酸在10mL水中搅拌混匀得到混合溶液，混合溶液中牛血清白蛋白的浓度为10mg/mL，氯金酸的浓度为5mM；

步骤(2)、搅拌下，按每1mM氯金酸需要4μM抗坏血酸的量，往步骤(1)得到的混合溶液加入抗坏血酸，使抗坏血酸的终浓度为20μM；

步骤(3)、搅拌下，往步骤(2)所得的混合溶液中逐滴加入0.4mL浓度为1M的氢氧化钠溶液，此时，溶液的pH为12.10，混合均匀，将反应温度调到100℃，搅拌反应2h，即得到立方体状纳米金。

如图6所示，经透射电镜(TEM)观察，所得立方体状纳米金均呈单一立方体状且尺寸一致，粒径在110nm左右。如图7所示，所得立方体状纳米金经荧光分光光度计扫描具有良好的荧光激发和发射光谱。

实施例2

一种金纳米立方体的制备方法，步骤如下：

步骤(1)、精密称取牛血清白蛋白和氯金酸，将牛血清白蛋白和氯金酸在10mL水中搅拌混匀，混合溶液中牛血清白蛋白浓度为10mg/mL，氯金酸浓度为5mM；

步骤(2)、搅拌下，按每1mM氯金酸需要8μM抗坏血酸的量，往步骤(1)得到的混合溶液加入抗坏血酸；步骤(3)、搅拌下，往步骤(2)所得的混合溶液中逐滴加入0.4mL浓度为1M的氢氧化钠溶液，此时溶液的pH＝12.10，混合均匀，将反应温度调到120℃，搅拌反应2h，即得到立方体状纳米金。

如图8所示，经透射电镜(TEM)观察，所得立方体状纳米金均呈单一立方体状且尺寸一致，粒径在110nm左右。如图9所示，所得立方体状纳米金经荧光分光光度计扫描具有良好的荧光激发和发射光谱。

对比例1

一种金纳米粒子的制备方法，步骤如下：

步骤(1)、精密称取牛血清白蛋白和氯金酸，将牛血清白蛋白和氯金酸在10mL水中搅拌混匀得到混合溶液，混合溶液中牛血清白蛋白的浓度为10mg/mL，氯金酸的浓度为5mM；

步骤(2)、搅拌下，按每1mM氯金酸需要4μM抗坏血酸的量，往步骤(1)得到的混合溶液加入抗坏血酸，使抗坏血酸的终浓度为20μM；

步骤(3)、搅拌下，往步骤(2)所得的混合溶液中逐滴加入0.4mL浓度为1M的氢氧化钠溶液，此时溶液的pH为12.10，混合均匀，将反应温度调到37℃，搅拌反应2h，即得到金纳米粒子。

如图10所示，经透射电镜(TEM)观察，所得金纳米粒子均呈球形。结合图4曲线A可以看出，在温度37℃下制得的金纳米粒子荧光强度远低于金立方体。表明，温度对金纳米立方体的形成至关重要。牛血清白蛋白只有在加热过程中发生不可逆热变性形成立方体状脚手架，为后续立方体的形成提供模板才能合成荧光强度较强的金立方体。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

以上对本申请的具体实施进行了描述。需要理解的是，本申请并不局限于上述实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本申请的实质内容。

Claims (6)

1.一种荧光金纳米立方体的合成方法，其特征在于：包括：将牛血清白蛋白和氯金酸在水中混合均匀，再加入抗坏血酸，调节溶液的pH至12.10-13.03，加热反应，制得金纳米立方体；其中，溶液中，牛血清白蛋白的浓度为10-20 mg/mL，氯金酸的浓度为3-7 mM；氯金酸和抗坏血酸的摩尔比为1000:2-8；加热反应的温度为80-120 ℃，加热反应的时间为1-6 h。

2.根据权利要求1所述的一种荧光金纳米立方体的合成方法，其特征在于：溶液中，牛血清白蛋白的浓度为10 mg/mL，氯金酸的浓度为5 mM。

3.根据权利要求1所述的一种荧光金纳米立方体的合成方法，其特征在于：氯金酸和抗坏血酸的摩尔比为1000:4。

4.根据权利要求1所述的一种荧光金纳米立方体的合成方法，其特征在于：调节溶液的pH至12.10。

5.根据权利要求1所述的一种荧光金纳米立方体的合成方法，其特征在于：加热反应的温度为100 ℃，加热反应的时间为2 h。

6.一种采用权利要求1-5任一项权利要求所述的合成方法制得的荧光金纳米立方体。

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