CN113199035B - 一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种金纳米颗粒‑金纳米团簇复合材料及其制备方法和应用，属于纳米材料技术领域。该复合材料由以下步骤制得：S1、将HAuCl4水溶液与半乳糖氧化酶(GO)溶液混合得到混合液；S2、调节所述混合液的pH值至11.0‑12.0；S3、将调节pH后的所述混合液在35‑40℃下进行反应得到所述金纳米颗粒‑金纳米团簇复合材料。本发明还包括该金纳米颗粒‑金纳米团簇复合材料在检测Ag+中的应用。该复合材料可直接实现对低浓度Ag+的检测。

Description

一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
Ag+对许多细菌、病毒、藻类和真菌都有很大的毒性，Ag+的抑菌作用已被应用于化妆品、木材、临床材料等许多领域。然而，Ag+作为重金属离子，一旦浓度过高，就会给环境和人类健康带来危害。美国环境保护署(EPA) 设定饮用水中银离子的含量上限为0.050mg/L。因此，对Ag+的实时监测和可靠分析对于环境保护及疾病预防都具有重要意义。目前已发展用于检测 Ag+的分析方法包括原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱及电化学方法等。而这些技术通常需要昂贵的设备，长时间的预处理步骤。因此，开发一种简单快速、经济实用、绿色环保的Ag+传感系统是十分必要的。
近年来，基于金纳米颗粒的比色分析法因其成本低，操作简单，效率高，已被广泛用于重金属离子的检测。而目前合成金纳米颗粒最常用的方法是化学还原法，比较典型的是用柠檬酸钠或硼氢化钠直接还原形成金纳米颗粒。但这些强还原剂具有毒性，且合成纳米颗粒的时间较长；重要的是，合成的金纳米颗粒不能直接用于离子检测或生物应用，往往需要进一步修饰使其功能化，这使得操作过程变得复杂，而且不能检测低浓度的银离子。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料及其制备方法和应用，解决现有技术中如何获得可直接用于检测银离子含量的金纳米颗粒，且能够检测低浓度的银离子的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料及其制备方法和应用。
本发明提出一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将HAuCl4水溶液与半乳糖氧化酶溶液混合得到混合液；
S2、调节所述混合液的pH值至11.0-12.0；
S3、将步骤S2所得溶液在35-40℃下进行反应得到所述金纳米颗粒- 金纳米团簇复合材料。
进一步地，在步骤S1中，将所述HAuCl4水溶液与所述半乳糖氧化酶溶液在35-40℃下反应2-5min得到所述混合液。
进一步地，在步骤S2中，通过氢氧化钠溶液调节所述混合液的pH值至11.0-12.0。
进一步地，在步骤S2中，所述氢氧化钠溶液的浓度为1-2mmol/L。
进一步地，在步骤S3中，将调节pH值后的所述混合液在35-40℃下进行水浴反应0.5-30h得到所述金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料。
进一步地，在步骤S1中，所述HAuCl4水溶液的浓度为10-15mmol/L，所述半乳糖氧化酶溶液的浓度为1.5-25mg/mL。
此外，本发明还提出一种上述制备方法制备得到的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料。
进一步地，本发明还包括上述制备方法制备得到的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料或者上述金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料在检测Ag+中的应用。
进一步地，所述应用包括：
1)标准曲线的建立：将不同浓度的Ag+标准溶液与金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料溶液混合并在摇床中反应，之后通过紫外-可见分光光度计记录518nm波长下溶液的吸光度值，计算添加Ag+的复合材料溶液和空白样的吸光度差值，以Ag+浓度为横坐标，吸光度差值ΔA为纵坐标绘制标准曲线；
2)待测样中Ag+的测定：将待测样代替Ag+标准品溶液，按步骤1) 的操作，将测到的吸光度差值代入步骤1)得到的所述标准曲线，进而得到所述待测样中Ag+浓度。
进一步地，在所述摇床中进行所述反应的温度为25-65℃，时间为 2-60min。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：HAuCl4水溶液与半乳糖氧化酶(GO)溶液混合反应，氯金酸进入半乳糖氧化酶内部空间，Au3+被捕获。GO分子中43个半胱氨酸残基稳定Au3+，进一步调节溶液pH值至12.0，以此活化GO分子中酪氨酸残基的还原能力，最终合成具有能够高效检测银离子的金纳米颗粒-纳米团簇复合材料。低浓度的Ag+螯合金纳米团簇表面的蛋白使其聚集成大的纳米颗粒，使复合材料的表面等离子共振吸收峰 (SPR峰)增强且有轻微红移；高浓度的Ag+螯合金纳米颗粒表面的蛋白，使复合材料团聚甚至沉淀。基于上述传感机制通过该复合材料可直接实现对低浓度Ag+的检测。该制备方法简单，不需要复杂精密的仪器，且在检测 Ag+方面具有很好的选择性和灵敏度，检测下限为0.027μM。
附图说明
图1是本发明金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料的合成机理图。
图2是本发明实施例1中制备的复合材料GNP-GOs-GNCs的紫外-可见吸收光谱图(UV-Vis)和Au 4f的X射线光电子能谱图(XPS)。图2a是本发明实施例1制备的合材料GNP-GOs-GNCs的紫外-可见吸收光谱图；图2a中的插图：左边是半乳糖氧化酶溶液，右边是GNP-GOs-GNCs溶液；图2b 是本发明实施例1中GNP-GOs-GNCs中Au 4f的X射线光电子能谱图。
图3是本发明实施例1和实施例2的GNP-GOs-GNCs的透射电子显微镜图(TEM)；其中，图3a,3b和3c为实施例1制备的GNP-GOs-GNCs复合材料的TEM图；图3d,3e和3f为实施例2制备的GNP-GOs-GNCs复合材料的TEM图。
图4是本发明应用例中不同浓度Ag+与GNP-GOs-GNCs作用后的紫外- 可见吸收光谱图。
图5是本发明应用例中添加不同浓度Ag+后GNP-GOs-GNCs溶液的紫外-可见吸收光谱图和工作曲线；图5a是本发明实施例3添加不同浓度Ag+后GNP-GOs-GNCs溶液的紫外-可见吸收光谱图；图5b是添加不同浓度Ag+后GNP-GOs-GNCs溶液的工作曲线。
图6是本发明应用例中向GNP-GOs-GNCs溶液加入0.5μM Ag+或者其他离子所得溶液的紫外-可见吸收光谱图和ΔA值对比图；图6a是本发明实施例4GNP-GOs-GNCs溶液中分别加入0.5μM Ag+或者其他离子所得溶液的紫外-可见吸收光谱图；图6b是GNP-GOs-GNCs溶液中分别加入0.5μM Ag+或者其他离子后溶液ΔA值对比图。
图7是本发明实施例5GNP-GOs-GNCs溶液中加入某种干扰离子与不加干扰离子的Ag+溶液ΔA值对比图。
具体实施方式
本具体实施方式提供了一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将HAuCl4水溶液与半乳糖氧化酶溶液在35-40℃下混合2-5min 得到混合液；所述HAuCl4水溶液的浓度为10-15mmol/L，所述半乳糖氧化酶溶液的浓度为1.5-25mg/mL；
S2、通过氢氧化钠溶液调节所述混合液的pH值至11.0-12.0；所述氢氧化钠溶液的浓度为1-2mmol/L；
S3、将步骤S2所得溶液在35-40℃下进行反应得到所述金纳米颗粒- 金纳米团簇复合材料。
本具体实施方式还包括一种上述制备方法制备得到的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料。
本具体实施方式还包括上述制备方法制备得到的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料或者上述金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料在检测Ag+中的应用。
进一步地，所述应用包括：
1)标准曲线的建立：配制10mM磷酸盐缓冲液(PBS，pH＝6.0)用于 Ag+的检测体系。用pH值为6.0的PBS缓冲液将实施例1制得的复合材料 GNP-GOs-GNCs溶液稀释5倍，并用上述PBS缓冲液配制不同浓度的硝酸银标准溶液；将不同浓度的Ag+标准溶液与复合材料溶液混合并在摇床中 25-65℃下反应2-60min，之后通过紫外-可见分光光度计记录518nm波长下溶液的吸光度值，计算添加Ag+的复合材料溶液和空白样的吸光度差值，以Ag+浓度为横坐标，吸光度差值ΔA为纵坐标绘制标准曲线；
2)待测样中Ag+的测定：将等体积处理好的待测样代替Ag+标准品溶液，按步骤1)的操作，将测到的吸光度差值代入步骤1)得到的所述标准曲线，进而得到样品中Ag+浓度。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是下述吸光度差值ΔA是指A与A0的差值，A和A0分别表示加入和没有加入Ag+的溶液在518nm处的吸光度值，没有加入Ag+的溶液即为空白样。
实施例1
本实施例提出一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料，由以下步骤制得：
S1、将1mL，10mmol/L的HAuCl4水溶液和1mL，25mg/mL的半乳糖氧化酶溶液混合，并在37℃下剧烈搅拌2min得到混合液；
S2、加入1mmol/L NaOH溶液调节混合液的pH值至12.0；
S3、将步骤S2所得溶液在37℃水浴锅中反应24h，得到紫红色的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料(GNP-GOs-GNCs)溶液。
结合图1，GNP-GOs-GNCs形成机理为：氯金酸溶液与半乳糖氧化酶 (GO)溶液混合，在剧烈搅拌下，氯金酸进入半乳糖氧化酶内部空间，Au3+被捕获。GO中43个半胱氨酸残基通过强的Au-S键稳定Au3+，形成GO-Au3+复合物。混合液的pH值通过NaOH溶液调至12.0，以此活化GO分子的还原能力。GO分子中的酪氨酸残基将Au3+还原成零价Au，零价Au成核生长后形成金纳米颗粒。同时，半乳糖氧化酶复杂的空间结构为小的金纳米团簇的合成提供模板，合成的金簇吸附在GO分子构成的“脚手架”内的金纳米颗粒表面，最终形成了金纳米颗粒-纳米簇的复合结构。
用紫外分光光度计测得复合材料溶液的紫外-可见吸收光谱图如图2a 所示。并从图2b中观察到复合材料的表面氧化状态，金核表面存在少量 Au(I)，有助于金纳米颗粒复合材料的稳定性。
实施例2
本实施例制得金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料与实施例1的区别仅在于所述半乳糖氧化酶溶液的浓度为1.5mg/mL。
从图3可以看出不同浓度的半乳糖氧化酶制备得到的复合材料中金纳米颗粒呈形状均匀的球形颗粒，分散性良好，且半乳糖氧化酶浓度越高，合成的金纳米颗粒粒径越小。此外，我们发现在一些大的纳米颗粒(GNPs) 周围存在一些极小的颗粒(图3b和图3e的圈出部分)，放大这些小的颗粒，我们观察到这些小颗粒有的分散在大的纳米颗粒周围，有的甚至紧紧粘附在颗粒表面。我们推测这些极小颗粒有可能是金纳米团簇(GNCs)。并通过图3c和图3f证实了这些小颗粒为平均粒径约为2.31nm的小尺寸金纳米团簇，另外金纳米颗粒平均粒径约为13.14nm。
实施例3
本实施例提出一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料，由以下步骤制得：
S1、将1mL，15mmol/L的HAuCl4水溶液和1ml，10mg/mL的半乳糖氧化酶溶液混合，并在40℃下剧烈搅拌5min得到混合液；
S2、加入2mmol/L NaOH溶液调节混合液的pH值至11.0；
S3、将步骤S2所得溶液在40℃水浴锅中反应0.5h，得到紫红色的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料(GNP-GOs-GNCs)溶液。
实施例4
本实施例提出一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料，由以下步骤制得：
S1、将1mL，12mmol/L的HAuCl4水溶液和1mL，20mg/mL的半乳糖氧化酶溶液混合，并在35℃下剧烈搅拌3min得到混合液；
S2、加入1.5mmol/L NaOH溶液调节混合液pH值至12.0；
S3、将步骤S2所得溶液在35℃水浴锅中反应30h，得到紫红色的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料(GNP-GOs-GNCs)溶液。
应用例
配制10mM磷酸盐缓冲液(PBS，pH＝6.0)用于Ag+的检测体系。用上述PBS缓冲液将实施例1制得的复合材料GNP-GOs-GNCs溶液稀释5倍，并用上述PBS缓冲液配制系列不同浓度的硝酸银溶液(0、10μM、30μM、 50μM、100μM、500μM)。将上述系列Ag+溶液与实施例1稀释5倍后的复合材料GNP-GOs-GNCs溶液混合，将混合液置于37℃的摇床中反应 5min，之后测得紫外-可见吸收光谱图，如图3所示。
将实施例1制得的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料用于检测Ag+，具体步骤如下：
1)标准曲线的建立：配制10mM磷酸盐缓冲液(PBS，pH＝6.0)用于Ag+的检测体系。用上述PBS缓冲液将实施例1制得的复合材料 GNP-GOs-GNCs溶液稀释5倍，并用上述PBS缓冲液配制系列不同浓度(0、 10μM、30μM、50μM、100μM、500μM)的硝酸银标准溶液。将上述系列Ag+标准溶液与稀释5倍后的实施例1制得的复合材料GNP-GOs-GNCs 溶液混合，将混合液置于37℃的摇床中孵育5min(在其他应用例中也可以是25-65℃的其他孵育温度，2-60min的其他孵育时间)，之后测得混合液紫外-可见吸收光谱图，如图4所示。
从图4中我们可以看到，当加入的银离子浓度在0-50μM之间时，溶液颜色未发生明显变化，仍保持紫红色，但是金纳米颗粒的紫外吸收峰增强，且略有红移。结合图1进行分析，这可能是因为Ag+优先螯合金纳米团簇外面的蛋白，使小尺寸的金纳米团簇聚集到一块形成大的金纳米颗粒，所以金纳米颗粒的SPR峰增强而峰的位置几乎没有变化；而当银离子浓度为100μM时，溶液颜色变为褐色，紫外吸收峰明显红移且有所减弱；当继续增大银离子浓度为500μM时，金纳米颗粒的特征吸收峰消失，同时有沉淀生成，上清液颜色呈无色。这可能是因为高浓度的Ag+桥连完小的金纳米团簇后，继续桥连金纳米颗粒复合结构，使其形成更大的聚集体，从而导致SPR峰红移且峰逐渐减弱直至消失。基于上述实验现象，我们可以实现浓度在0-50μM的较低浓度的Ag+的定量检测。
按照步骤1)的操作加入系列不同浓度(0、0.1μM、0.3μM、0.5μM、 0.8μM、1μM、2μM、3μM、5μM、10μM、20μM、30μM)的Ag+溶液与复合材料GNP-GOs-GNCs溶液混合。测得的紫外-可见吸收光谱图和工作曲线如图5所示，从图5a中我们可以看到，随着Ag+浓度由0增加到30μM，GNP-GOs-GNCs溶液的SPR峰逐渐增强。将518nm处吸光度差值ΔA与 Ag+浓度关系作图，得到一条工作曲线，如图5b所示，ΔA值在0.1-1μM范围内与Ag+浓度呈现良好的线性关系。线性回归方程为y＝0.0697x+ 0.0394，相关系数(R2)为0.993，检测限为0.027μM。
2)待测样中Ag+的测定：将等体积处理好的待测样代替Ag+标准品溶液，按步骤1)的操作，将测得的吸光度差值ΔA代入得到的标准曲线，得到待测样中Ag+浓度。
选择性测试
向稀释5倍后的实施例1制得的复合材料GNP-GOs-GNCs溶液中分别加入浓度为0.5μmol/L的NH4 +、CO3 2-、Mg2+、Zn2+、H2PO4 -、Na+、Ni+、 Fe3+、Cu2+、Pb2+、K+、Co2+和Ag+按照步骤1)的操作处理，测得紫外-可见吸收光谱如图6a所示，加入其他12种离子后GNP-GOs-GNCs溶液的SPR 峰没有发生明显变化；只有加入0.5μM Ag+时，复合材料溶液的SPR峰显著增强。为了更直观的观察和比较，我们对所有样品的ΔA值进行了比较，结果如图6b所示，在Ag+存在的情况下，溶液的ΔA值最大，是其他离子存在时的7倍以上。所以相比银离子而言，部分离子引起SPR峰的轻微变化可以忽略。上述实验结果证明，该复合材料对Ag+的检测具有很好的选择性。
抗干扰测试
研究共存离子对Ag+检测的干扰，即当Ag+和干扰离子同时存在时，对 Ag+检测体系灵敏度的影响。具体做法是将稀释5倍后的实施例1制得的复合材料溶液分别与包括12种干扰离子(NH4 +、CO3 2-、Mg2+、Zn2+、H2PO4 -、 Na+、Ni+、Fe3+、Cu2+、Pb2+、K+和Co2+)其中一种的Ag+溶液或者不含干扰离子的Ag+溶液混合，按照步骤1)的操作测得ΔA值，结果如图7所示。
如图7所示，对比仅加入Ag+的溶液，同时加入干扰离子和Ag+的溶液其ΔA值都在0.03左右，表明其他干扰离子的存在对ΔA值的影响不大，即共存离子不干扰Ag+的检测。结果表明该检测体系具有很好的抗干扰能力。
对实际水样的检测：
在过滤的自来水中分别加入浓度为0.3μM、0.5μM和1μM的Ag+，分别制成Ag+浓度为0.3μM、0.5μM和1μM的待测水样。按公式回收率 (％)＝(测量值/加入量)×100％来计算其加标回收率。结果如表1所示。 Ag+的回收率在95.1％-108％之间，相对标准偏差(RSD)低于3.95％。
表1自来水中银离子的检测结果
Figure BDA0003031812170000101
上述结果表明该方法可以实现自来水中Ag+的检测，且具有良好的准确性和重现性。
本发明其他有益效果：
1.本发明首次利用半乳糖氧化酶(GO)为模板合成一种新型的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料(GNP-GOs-GNCs)，该材料由生长于单个半乳糖氧化酶分子内部的金纳米簇GNCs吸附在较大粒径的金纳米颗粒GNP的表面构成。
2.该制备方法操作简单、反应条件温和、在35-40℃下反应24-30h 即可制得这种复合材料。
3.本发明利用复合材料GNP-GOs-GNCs成功实现了Ag+的高灵敏度、高选择性检测，该检测是基于Ag+桥连小的金纳米团簇，聚集成大的金纳米颗粒使复合材料的SPR峰增强的作用。
4、我们提出了以半乳糖氧化酶(GO)作稳定剂和还原剂，一锅法合成了一种新的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料(GNP-GOs-GNCs)，并将其直接用于Ag+的传感检测。低浓度的Ag+螯合金纳米团簇表面的蛋白使其聚集成大的纳米颗粒，使复合材料的SPR峰增强且有轻微红移；高浓度的Ag+螯合金纳米颗粒表面的蛋白，使复合材料团聚甚至沉淀。基于上述传感机制实现了对低浓度Ag+的比色检测。该方法样品制备简单，不需要复杂精密的仪器，且具有很好的选择性和灵敏度。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将HAuCl4水溶液与半乳糖氧化酶溶液混合得到混合液；
S2、调节所述混合液的pH值至11.0-12.0；
S3、将步骤S2所得溶液在35-40℃下进行反应得到所述金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料；
在步骤S1中，所述HAuCl4水溶液的浓度为10-15mmol/L，所述半乳糖氧化酶溶液的浓度为1.5-25mg/mL。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，将所述HAuCl4水溶液与所述半乳糖氧化酶溶液在35-40℃下反应2-5min得到所述混合液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，通过氢氧化钠溶液调节所述混合液的pH值至11.0-12.0。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述氢氧化钠溶液的浓度为1-2mmol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，将调节pH后的混合液在35-40℃下进行水浴反应0.5-30h得到所述金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料。
6.一种权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料。
7.权利要求6所述的金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料在检测Ag+中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，包括：
1)标准曲线的建立：将不同浓度的Ag+标准溶液与金纳米颗粒-金纳米团簇复合材料溶液混合并在摇床中反应，之后通过紫外-可见分光光度计记录518nm波长下溶液的吸光度值，计算添加Ag+的复合材料溶液和空白样的吸光度差值，以Ag+浓度为横坐标，吸光度差值ΔA为纵坐标绘制标准曲线；
2)待测样中Ag+的测定：将待测样代替Ag+标准溶液，按步骤1)的操作，将测到的吸光度差值代入步骤1)得到的所述标准曲线，进而得到所述待测样中Ag+浓度。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在步骤1)中，在所述摇床中进行所述反应的温度为25-65℃，时间为2-60min。
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